Neutrony łączą 40-letnią tajemnicę kryjącą się za tajemniczym magnetyzmem jodku żelaza

Badacz Xiaojian Bai i jego współpracownicy użyli neutronów w źródle spallacji neutronów ORNL do odkrycia ukrytych fluktuacji kwantowych w dość prostej substancji jodku żelaza, która została odkryta w 1929 roku. Badania wskazują, że wiele podobnych materiałów magnetycznych może mieć właściwości kwantowe czekające na odkrycie. Kredyt: ORNL / Genevieve Martin

Zaawansowane materiały o nowych właściwościach są zawsze opracowywane poprzez dodawanie kolejnych pozycji do listy składników. Jednak badania kwantowe wskazują, że niektóre z prostszych materiałów mogą rzeczywiście mieć zaawansowane właściwości, których naukowcy jeszcze nie widzą.


Naukowcy z Georgia Tech i University of Tennessee Knoxville odkryli ukryte i nieoczekiwane zachowanie kwantowe w dość prostym materiale zawierającym jodek żelaza (FeI).2Został odkryty prawie sto lat temu. Nowe spojrzenie na zachowanie materiałów było możliwe dzięki połączeniu eksperymentów z rozpraszaniem neutronów i teoretycznych obliczeń fizycznych w Oak Ridge National Laboratory (DOE) (ORNL) w DOE.

Wyniki zespołu – opublikowane w czasopiśmie Fizyka przyrodyRozwiązuje 40-letnią zagadkę dotyczącą tajemniczego zachowania materii i może posłużyć jako mapa do odblokowania skarbnicy zjawisk kwantowych w innych materiałach.

„Nasze odkrycie było w dużej mierze spowodowane ciekawością” – powiedział Xiao Jianbai, pierwszy autor gazety. Bay uzyskał stopień doktora. W Georgia Tech i pracuje jako badacz podoktorancki w ORNL, gdzie wykorzystuje neutrony do badań Materiały magnetyczne. „Z tym materiałem zawierającym jodek żelaza natknąłem się w 2019 roku w ramach mojej pracy doktorskiej. Próbowałem znaleźć związki z trójkątnym układem sieci magnetycznej, które wykazują tak zwany„ sfrustrowany magnetyzm ”.

W zwykłych magnesach, takich jak magnesy na lodówkę, elektrony materiału są ułożone w linii, podobnie jak strzałki, które albo wskazują ten sam kierunek – w górę lub w dół – albo na przemian w górę iw dół. Kierunki wskazywane przez elektrony nazywane są „spinem”. Ale w bardziej złożonych materiałach, takich jak jodek żelaza, elektrony są ułożone w trójkątną sieć, w której siły magnetyczne interferują między trzema momentami magnetycznymi i nie są pewne, w którym kierunku skierować – stąd „udaremniony magnetyzm”.

„Czytając całą literaturę, zauważyłem ten związek, jodek żelaza, który został odkryty w 1929 roku i dość intensywnie badany w latach 70-tych i 80-tych” – powiedział Bay. „W tamtym czasie widzieli jakąś niekonwencjonalną cechę lub wzorce zachowań, ale tak naprawdę nie mieli środków, aby w pełni zrozumieć, dlaczego to widzieli. Więc dowiedzieliśmy się, że coś dziwnego i interesującego nie zostało rozwiązane, i porównując to z czterdziestoma latami temu dysponowaliśmy narzędziami. Dostępne są skuteczniejsze eksperymenty, więc zdecydowaliśmy się ponownie rozważyć tę kwestię i mamy nadzieję, że przedstawimy kilka nowych pomysłów ”.

Materiały kwantowe są często opisywane jako układy, które wykazują dziwne zachowanie i łamią klasyczne prawa fizyki – jak ciało stałe, które zachowuje się jak ciecz, z cząstkami poruszającymi się jak woda i odmawiającymi zamarznięcia lub zatrzymania ruchu nawet w ujemnych temperaturach. Zrozumienie, jak działają te dziwne zjawiska lub ich podstawowe mechanizmy, jest kluczem do rozwoju elektroniki i innych technologii nowej generacji.

Martin Moregal powiedział: „W materiałach kwantowych są dwie rzeczy o wielkim znaczeniu: fazy materii, takie jak ciecze, ciała stałe i gazy, oraz wzbudzenie tych faz, takich jak fale dźwiękowe. Podobnie, fale spinowe są wzbudzeniami magnetyczne ciało stałe ”- profesor fizyki w Georgia Institute for technology. Od dawna naszym poszukiwaniem w materiałach kwantowych było znalezienie dziwnych faz, ale pytanie, które zadawaliśmy sobie w tych badaniach, brzmi: „Faza sama w sobie może nie wydawać się dziwna, ale co, jeśli byłaby podekscytowana? „I właśnie to już znaleźliśmy”.

Neutrony są idealnymi czujnikami do badania magnetyzmu, ponieważ z kolei działają jak mikromagnesy i mogą być używane do interakcji z innymi cząstkami magnetycznymi i wzbudzania wzbudzenia bez naruszania atomowej struktury materii.

Bay zapoznał się z neutronami, gdy był absolwentem Mourigal w Georgia Tech. Mourigal przez kilka lat był częstym użytkownikiem rozpraszania neutronów w reaktorze izotopowym o wysokim strumieniu ORNL (HFIR) i źródle neutronów spalacyjnych (SNS), korzystając z obiektów użytkownika Biura Nauki Departamentu Energii do badania szerokiej gamy materiałów kwantowych i ich różne i specyficzne zachowania.

Kiedy Bay i Morigal wystawili jodek żelaza na wiązkę neutronów, spodziewali się pewnego wzbudzenia lub zakresu energii związanego z momentem magnetycznym pojedynczego elektronu; Zamiast tego nie widzieli dwóch różnych fluktuacji kwantowych pojawiających się jednocześnie.

„Neutrony pozwoliły nam bardzo wyraźnie zobaczyć tę subtelną oscylację” – powiedział Bay. „Możemy zmierzyć całe spektrum wzbudzenia, ale nadal nie rozumiemy, dlaczego widzimy takie nienormalne zachowanie na pozornie klasycznym etapie”.

W celu uzyskania odpowiedzi zwrócili się do fizyka teoretycznego Christiana Batisty, profesora Lincolna na Uniwersytecie Tennessee-Knoxville i zastępcy dyrektora ORNL Scholl Wulan Center – wspólnego instytutu nauki o neutronach, który zapewnia badaczom wizytującym dodatkowe zasoby i wiedzę w zakresie rozpraszania neutronów.

Neutrony łączą 40-letnią tajemnicę kryjącą się za tajemniczym magnetyzmem jodku żelaza

Niewielką próbkę jodku żelaza utrzymywaną przez Pi (powyżej) zsyntetyzowano i przygotowano do eksperymentów z rozpraszaniem neutronów, które wykorzystano do pomiaru podstawowego wzbudzenia magnetycznego materiału. Kredyt: ORNL / Genevieve Martin

Z pomocą Batisty i jego grupy zespół był w stanie opracować model matematyczny tajemniczego zachowania oscylacji kwantowej, a po wykonaniu dodatkowych eksperymentów neutronowych przy użyciu narzędzi CORELLI i SEQUOIA w SNS, byli w stanie określić mechanizm, który to spowodował. wydarzyć się. Przedstawia.

„To, co przewiduje teoria i co byliśmy w stanie potwierdzić za pomocą neutronów, to fakt, że ta dziwna fluktuacja występuje, gdy kierunek obrotu jest odwrócony między dwoma elektronami. Momenty magnetyczne – Przechyl w przeciwnych kierunkach – powiedział Batista. Kiedy neutrony oddziałują ze spinem elektronów, spiny obracają się synchronicznie wzdłuż określonego kierunku w przestrzeni. Ta choreografia wynikająca z rozpraszania neutronów tworzy falę spinową ”.

Wyjaśnił, że w różnych materiałach kursy elektroniczne mogą przyjmować różne kierunki i układy choreograficzne, tworząc różne typy Wirujące fale. W mechanice kwantowej pojęcie to znane jest jako „dualizm korpuskularno-falowy”, w którym nowe fale są uważane za nowe cząstki i zwykle są ukryte przed rozpraszaniem neutronów w normalnych warunkach.

„W pewnym sensie szukamy ciemnych cząstek” – dodał Batista. „Nie możemy ich zobaczyć, ale wiemy, że tam są, ponieważ możemy zobaczyć ich skutki lub interakcje, jakie mają z cząstkami, które widzimy”.

Bay powiedział: „W mechanice kwantowej nie ma rozróżnienia między falami a cząstkami. Rozumiemy zachowanie cząstki na podstawie jej długości fali i to właśnie pozwalają nam mierzyć neutrony”.

Moregal porównał sposób, w jaki neutrony wykrywają cząstki, do fal refrakcyjnych wokół skał na powierzchni oceanu.

„W stojącej wodzie nie możemy zobaczyć skał na dnie oceanu, dopóki fala nie przesunie się nad nimi” – powiedział Moregal. Jedynie tworząc jak najwięcej fal z neutronami, dzięki teorii Christiana Xiaojian był w stanie zidentyfikować skały lub w tym przypadku interakcje, które sprawiają, że subtelne fluktuacje są widoczne.

Wykorzystanie kwantowego zachowania magnetycznego doprowadziło już do postępu technologicznego, takiego jak maszyna do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego i magnetyczny dysk twardy, który stymulował komputery osobiste. Bardziej egzotyczne materiały kwantowe mogą przyspieszyć następną falę technologii.

Oprócz Bai, Moregal i Batista, autorami artykułu są: Shang-Shun Zhang, Chilling Dunn, Hao Zhang, Cheng Huang, Haidong Zuo, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov i Feng Yi.

Od czasu ich odkrycia zespół wykorzystał te spostrzeżenia, aby opracować i przetestować prognozy w szerszym zestawie materiałów, które według nich dadzą najbardziej obiecujące wyniki.

„Wprowadzając więcej składników do substancji, zwiększamy również potencjalne problemy, takie jak bałagan i niejednorodność. Jeśli naprawdę chcemy zrozumieć i stworzyć czyste, oparte na materiałach systemy mechaniki kwantowej, powrót do tych prostych systemów może być ważniejszy niż my. myśli – powiedział Moregal.

„To rozwiązuje zagadkę 40-latki związaną z tajemniczą ekscytacją związaną z jodkiem żelaza” – powiedział Bai. „Dziś mamy tę zaletę, że robimy postęp na dużą skalę Neutron Obiekty takie jak SNS, które w zasadzie pozwalają nam badać pełną energię i pęd materii, aby zobaczyć, co się dzieje z tymi dziwnymi wzbudzeniami.

„Teraz, gdy rozumiemy, jak to osobliwe zachowanie działa w stosunkowo prostej materii, możemy sobie wyobrazić, co moglibyśmy znaleźć w bardziej złożonych materiałach. Stymulowaliśmy to nowe zrozumienie i miejmy nadzieję, że zachęci to społeczność naukową do zbadania większej liczby tego typu materiałów. co z pewnością doprowadzi do fizyki. Bardziej interesujące. ”


Neutrony śledzą splątanie kwantowe w minerale miedzi bazolitowym


więcej informacji:
Xiaojian Bai et al, Hybrid quadrupole excitations in the rotational anizotropic foliated magnet, Fizyka przyrody (2021). DOI: 10.1038 / s41567-020-01110-1

cytat: Neutrons Gather a 40-year Mystery Behind the Mysterious Magnetism of Iron Jodide (2021, maj 20) Pobrano 20 maja 2021 z https://phys.org/news/2021-05-neutrons-piece-year-puzzle-iron -jodide.język programowania

Niniejszy dokument podlega prawu autorskiemu. Niezależnie od sprawiedliwego traktowania do celów prywatnych studiów lub badań, żadna część nie może być powielana bez pisemnej zgody. Treść ma charakter wyłącznie informacyjny.

READ  Raport rakietowy: Rosja planuje wycofać przestrzeń jądrową i opóźnić start Falcon Heavy

Phoebe Newman

"Podróżujący ninja. Rozrabiaka. Badacz bekonów. Ekspert od ekstremalnych alkoholi. Obrońca zombie."

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Back to top