Il materiale quantistico magnetico espande la piattaforma di esplorazione della tecnologia dell’informazione di nuova generazione

Gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory hanno utilizzato lo scattering dei neutroni per determinare se la struttura atomica di una particolare sostanza potesse ospitare un nuovo stato della materia chiamato fluido spin-elicoidale. Tracciando i piccoli momenti magnetici noti come “giri” sul reticolo a nido d’ape di un magnete tricloruro ferrico, il team ha scoperto il primo sistema bidimensionale che ospita un fluido a spirale rotante.

Questa scoperta fornisce una base di prova per futuri studi sui fenomeni fisici che potrebbero guidare le tecnologie dell’informazione di prossima generazione. Questi includono frazioni o vibrazioni quantistiche collettive che potrebbero rivelarsi promettenti nell’informatica quantistica, nel cielo o nuovi materiali magnetici che potrebbero migliorare l’archiviazione dei dati ad alta densità.

Shang Gao di ORNL, che ha guidato lo studio pubblicato in, ha dichiarato: messaggi di revisione fisica.

Una teoria di vecchia data ha previsto che il reticolo a nido d’ape potrebbe ospitare un fluido elicoidale, una nuova fase della materia in cui i fusi formano strutture fluttuanti a forma di elica.

Tuttavia, fino a questo studio, mancavano prove sperimentali per questa fase in un sistema bidimensionale. Il sistema bidimensionale include un materiale cristallino stratificato in cui le interazioni sono più forti nel piano che nella direzione di impilamento.

Gao ha identificato il tricloruro di ferro come una piattaforma promettente per testare la teoria, che è stata proposta più di un decennio fa. Lui e il coautore Andrew Christianson di ORNL hanno contattato Michael McGuire, anche lui di ORNL, che ha lavorato a lungo sulla coltivazione e lo studio di materiali 2D, chiedendo se avrebbe sintetizzato e caratterizzato un campione di tricloruro di ferro per neutrone misure di diffrazione. Come gli strati di grafene 2D presenti nella grafite sfusa come reti a nido d’ape di carbonio puro, gli strati di ferro 2D nel tricloruro di ferro sfuso come strati a nido d’ape 2D. “Precedenti rapporti hanno indicato che l’intrigante materiale a nido d’ape può mostrare un complesso comportamento magnetico alle basse temperature”, ha affermato McGuire.

Ogni strato di ferro ha la forma di un alveare atomi di cloro sopra e sotto, realizzando pannelli di cloro, ferro e cloro”, ha detto McGuire. Gli atomi di cloro nella parte superiore di una piastra interagiscono molto debolmente con gli atomi di cloro nella parte inferiore della piastra successiva attraverso il legame di van der Waals. Questa scarsa adesione rende i materiali come questo facili da staccare in strati molto sottili, spesso tutti su un unico foglio. Ciò è utile per lo sviluppo di dispositivi e la comprensione dell’evoluzione della fisica quantistica da tre dimensioni a due dimensioni”.

Nei materiali quantistici, gli spin degli elettroni possono comportarsi sia collettivamente che in modo strano. Se ti muovi di un ciclo, interagiscono tutti – uno stato intricato che Einstein chiamava “azione spettrale a distanza”. Il sistema rimane in uno stato di frustrazione, un fluido che mantiene il caos perché l’elettrone cambia costantemente direzione, costringendo gli altri elettroni aggrovigliati a oscillare in risposta alla risposta.

Il Primi studi sulla diffrazione di neutroni di cristalli di cloruro ferrico sono stati condotti presso l’ORNL 60 anni fa. Oggi, la vasta esperienza di ORNL nella sintesi di materiali, imaging, diffusione dei neutroniteoria, simulazione e calcolo consentono esplorazioni rivoluzionarie di materiali quantistici magnetici che guidano lo sviluppo di tecnologie di prossima generazione per Informazioni di sicurezza e conservazione.

La mappatura dei movimenti di rotazione in un fluido di rotazione elicoidale è resa possibile da esperti e strumenti presso lo Spallation Neutron Source e High Flow Isotope Reactor e le strutture per gli utenti del DOE Office of Science presso ORNL. I coautori dell’ORNL sono stati essenziali per il successo degli esperimenti di scattering di neutroni: Clarina Della Cruz, che ha condotto gli esperimenti con un diffrattometro a polvere HFIR; Yaohua Liu, che ha condotto gli esperimenti utilizzando lo spettrometro CORELLI di SNS; Matthias Frunzik, che ha condotto gli esperimenti utilizzando la BACCHETTA di HFIR² diffrattometro. Matthew Stone, che ha condotto esperimenti per far funzionare lo spettrometro SEQUOIA di SNS; e Douglas Abernathy, che ha guidato le prove di lavoro dello spettrometro ARCS di SNS.

“I dati sulla diffusione dei neutroni dalle nostre misurazioni nel SNS e nell’HFIR hanno fornito prove convincenti dell’esistenza di una fase liquida chirale”, ha detto Gao.

Esperimenti di scattering di neutroni hanno misurato il modo in cui i neutroni scambiano energia e quantità di moto con il campione, consentendo il proprietà magnetiche “Si può dedurre”, ha detto il coautore Matthew Stone, descrivendo la struttura magnetica di un fluido a spirale elicoidale: “Sembra una mappa topografica di un gruppo di montagne con un gruppo di anelli che puntano verso l’esterno. Se dovessi camminare lungo un ciclo, tutti i cicli punterebbero nella stessa direzione. Ma se uscissi e attraversi circuiti diversi, vedrai che quei cicli ruotano attorno ai loro assi. Quella è l’elica”.

“Il nostro studio mostra che il concetto di a spirale Il coautore Andrew Christianson ha affermato che il fluido di rotazione è applicabile a un’ampia classe di materiali a maglia a nido d’ape. Come Statistica quantitativa. “

Il titolo dell’articolo è “Spiral Spin Liquid on a Honeycomb Lattice”.