Ученые из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики (ORNL) использовали рассеяние нейтронов, чтобы определить, может ли атомная структура конкретного материала содержать новое состояние вещества, называемое спиральной спиновой жидкостью. Команда обнаружила первую 2D-систему со спиральной спиновой жидкостью, отслеживая крошечные магнитные моменты, известные как «спины», на сотовой решетке многослойного магнита из треххлористого железа.

Открытие обеспечивает испытательный стенд для будущих исследований физических явлений, которые могут стать движущей силой информационных технологий следующего поколения. К ним относятся фрактоны и скирмионы. Фрактоны — это коллективные квантованные колебания, которые могут оказаться многообещающими в квантовых вычислениях . Скирмионы — это новые магнитные спиновые текстуры, которые могут улучшить хранение данных с высокой плотностью.

«Материалы, содержащие спиральные спиновые жидкости, особенно интересны из-за их потенциала для создания квантовых спиновых жидкостей, спиновых текстур и фрактонных возбуждений», — сказал Шан Гао из ORNL, который руководил исследованием, опубликованным в Physical Review Letters .

Давняя теория предсказывала, что сотовая решетка может содержать спиральную спиновую жидкость. Это новая фаза материи, в которой спины образуют флуктуирующие структуры, подобные штопору.

Однако до настоящего исследования экспериментальных данных об этой фазе в 2D-системе не было. Двумерная система состоит из слоистого кристаллического материала, в котором взаимодействия сильнее в плоскости, чем в направлении укладки.

Гао назвал трихлорид железа перспективной платформой для проверки теории, предложенной более десяти лет назад. Он и его соавтор Эндрю Кристиансон из ORNL обратились к Майклу Макгуайру, также из ORNL, который много работал над выращиванием и изучением 2D-материалов, и спросили, не сможет ли он синтезировать и охарактеризовать образец трихлорида железа для измерений нейтронной дифракции. Подобно тому, как 2D- слои графена существуют в массивном графите в виде сотовых решеток из чистого углерода, 2D-слои железа существуют в объемном трихлориде железа в виде 2D-слоев сот. «Предыдущие отчеты намекали, что этот интересный сотовый материал может демонстрировать сложное магнитное поведение при низких температурах», — сказал Макгуайр.

«Каждый сотовый слой железа имеет атомы хлора сверху и снизу, образуя плиты хлор-железо-хлор», — сказал Макгуайр. «Атомы хлора в верхней части одной пластины очень слабо взаимодействуют с атомами хлора в нижней части следующей пластины посредством ван-дер-ваальсовых связей. Эта слабая связь делает такие материалы легко расщепленными на очень тонкие слои, часто вплоть до одной пластины. Это полезно для разработки устройств и понимания эволюции квантовой физики от трех измерений к двух измерениям».

В квантовых материалах спины электронов могут вести себя коллективно и экзотически. Если один спин движется, все реагируют — запутанное состояние, которое Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии». Система остается в состоянии фрустрации — жидкости, которая сохраняет беспорядок, потому что спины электронов постоянно меняют направление, заставляя другие запутанные электроны колебаться в ответ.

60 лет назад в ОРНЛ были проведены первые нейтронографические исследования кристаллов хлорида железа . Сегодня обширный опыт ORNL в области синтеза материалов, рассеяния нейтронов, моделирования, теории, визуализации и вычислений позволяет проводить новаторские исследования магнитных квантовых материалов, которые стимулируют развитие технологий следующего поколения для защиты и хранения информации.

Картографирование спиновых движений в спиральной спиновой жидкости стало возможным благодаря экспертам и инструментам в Источнике нейтронов расщепления и Высокопоточном изотопном реакторе, пользовательских помещениях Управления науки Министерства энергетики в ORNL. Соавторы ORNL сыграли важную роль в успехе экспериментов по рассеянию нейтронов: Кларина дела Крус, руководившая экспериментами с использованием ПОРОШКОВОГО дифрактометра HFIR; Яохуа Лю, руководивший экспериментами с использованием спектрометра CORELLI компании SNS; Матиас Фронцек, руководивший экспериментами с дифрактометром WAND ² компании HFIR ; Мэтью Стоун, руководивший экспериментами со спектрометром SEQUOIA компании SNS; и Дуглас Абернати, руководивший экспериментами со спектрометром ARCS компании SNS.

«Данные по рассеянию нейтронов, полученные в результате наших измерений в SNS и HFIR, предоставили убедительные доказательства существования жидкой фазы спирального спина», — сказал Гао.

«Эксперименты по рассеянию нейтронов измеряли, как нейтроны обмениваются энергией и импульсом с образцом, что позволило сделать вывод о магнитных свойствах», — сказал соавтор Мэтью Стоун. Он описал магнитную структуру спиральной спиновой жидкости: «Это похоже на топографическую карту группы гор с кучей колец, уходящих наружу. Если бы вы шли по кольцу, все вращения были бы направлены в одном направлении. Но если вы выйдете наружу и пересечете разные кольца, вы увидите, как эти вращения начнут вращаться вокруг своих осей. Это спираль».

«Наше исследование показывает, что концепция спиральной спиновой жидкости жизнеспособна для широкого класса материалов с сотовой решеткой», — сказал соавтор Эндрю Кристиансон. «Это дает сообществу новый путь для изучения спиновых текстур и новых возбуждений, таких как фрактоны, которые затем могут использоваться в будущих приложениях, таких как квантовые вычисления».

Источник