Τα νετρόνια συγκεντρώνουν το 40χρονο μυστήριο πίσω από τον μυστηριώδη μαγνητισμό του ιωδιούχου σιδήρου

Προηγμένα υλικά με νέες ιδιότητες αναπτύσσονται πάντα προσθέτοντας περισσότερα στοιχεία στη λίστα συστατικών. Όμως, η κβαντική έρευνα δείχνει ότι ορισμένα απλούστερα υλικά μπορεί πράγματι να έχουν προηγμένες ιδιότητες που οι επιστήμονες δεν μπορούν ακόμη να δουν.

Ερευνητές από την Georgia Tech και το Πανεπιστήμιο του Tennessee Knoxville αποκάλυψαν μια κρυφή και απροσδόκητη κβαντική συμπεριφορά σε ένα μάλλον απλό υλικό ιωδιούχου σιδήρου (FeI).₂Ανακαλύφθηκε πριν από έναν αιώνα. Νέες έρευνες σχετικά με τη συμπεριφορά των υλικών ενεργοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό πειραμάτων σκέδασης νετρονίων και υπολογισμών θεωρητικής φυσικής στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (DOE) του DOE (ORNL).

Αποτελέσματα ομάδας – δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Φυσική ΦυσικήΕπιλύει ένα παζλ 40 ετών σχετικά με τη μυστηριώδη συμπεριφορά της ύλης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χάρτης για να ξεκλειδώσετε έναν θησαυρό κβαντικών φαινομένων σε άλλα υλικά.

“Η ανακάλυψή μας οδήγησε σε μεγάλο βαθμό στην περιέργεια”, δήλωσε ο Xiao Jianbai, πρώτος συγγραφέας της εφημερίδας. Ο Μπέι έλαβε το διδακτορικό του Στην Georgia Tech και εργάζεται ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο ORNL, όπου χρησιμοποιεί νετρόνια για σπουδές Μαγνητικά υλικά. «Συνάντησα αυτό το υλικό ιωδιούχου σιδήρου το 2019 στο πλαίσιο του διδακτορικού μου έργου. Προσπαθούσα να βρω ενώσεις με μια τριγωνική διάταξη μαγνητικού πλέγματος που εμφανίζει τον αποκαλούμενο« απογοητευμένο μαγνητισμό ».

Σε κοινούς μαγνήτες, όπως μαγνήτες ψυγείου, τα ηλεκτρόνια του υλικού είναι διατεταγμένα σε μια γραμμή σαν βέλη που είτε όλα δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση – πάνω ή κάτω – είτε εναλλάσσονται μεταξύ πάνω και κάτω. Οι κατευθύνσεις που δείχνουν τα ηλεκτρόνια ονομάζονται “περιστροφή”. Αλλά σε πιο πολύπλοκα υλικά όπως το ιωδιούχο σίδηρο, τα ηλεκτρόνια είναι διατεταγμένα σε ένα τριγωνικό δίκτυο, όπου οι μαγνητικές δυνάμεις παρεμβαίνουν μεταξύ των τριών μαγνητικών ροπών και δεν είναι σίγουροι ποια κατεύθυνση να κατευθύνουν – εξ ου και ο «απογοητευμένος μαγνητισμός».

«Καθώς διάβαζα όλη τη βιβλιογραφία, παρατήρησα αυτήν την ένωση, το ιωδιούχο σίδηρο, το οποίο ανακαλύφθηκε το 1929 και μελετήθηκε αρκετά εκτεταμένα στις δεκαετίες του 1970 και του 1980», δήλωσε ο Bay. «Εκείνη την εποχή, είδαν κάποια μη συμβατικά χαρακτηριστικά ή πρότυπα συμπεριφοράς, αλλά πραγματικά δεν είχαν τους πόρους για να καταλάβουν πλήρως γιατί το είδαν. Έτσι, μάθαμε ότι κάτι παράξενο και ενδιαφέρον ήταν άλυτο και το συγκρίναμε με σαράντα χρόνια Πριν, έχουμε πειραματικά εργαλεία. Είναι πιο αποτελεσματικό διαθέσιμο, επομένως αποφασίσαμε να επανεξετάσουμε αυτό το ζήτημα και ελπίζουμε να παρουσιάσουμε μερικές νέες ιδέες. ”

Τα κβαντικά υλικά περιγράφονται συχνά ως συστήματα που παρουσιάζουν παράξενη συμπεριφορά και παραβιάζουν τους κλασικούς νόμους της φυσικής – σαν ένα στερεό που συμπεριφέρεται σαν ένα υγρό, με σωματίδια που κινούνται σαν νερό και αρνούνται να παγώσουν ή να σταματήσουν την κίνηση ακόμη και σε θερμοκρασίες ψύξης. Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας αυτών των παράξενων φαινομένων ή των βασικών μηχανισμών τους, είναι το κλειδί για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών και την ανάπτυξη άλλων τεχνολογιών επόμενης γενιάς.

Ο Martin Moregal είπε, “Σε κβαντικά υλικά, υπάρχουν δύο πράγματα μεγάλης σημασίας: οι φάσεις της ύλης όπως υγρά, στερεά και αέρια και η διέγερση αυτών των φάσεων, όπως τα ηχητικά κύματα. Ομοίως, τα κύματα περιστροφής είναι διεγέρσεις ενός μαγνητικό στερεό », Καθηγητής Φυσικής στο Ινστιτούτο Γεωργίας για την τεχνολογία. Για πολύ καιρό, η αναζήτησή μας σε κβαντικά υλικά ήταν να βρούμε παράξενες φάσεις, αλλά το ερώτημα που αναρωτηθήκαμε σε αυτήν την έρευνα είναι: «Ίσως η ίδια η φάση δεν ήταν προφανώς παράξενη, αλλά τι γίνεται αν ο ενθουσιασμός ήταν; “Και αυτό βρήκαμε ήδη.”

Τα νετρόνια είναι ιδανικοί αισθητήρες για τη μελέτη του μαγνητισμού επειδή, με τη σειρά τους, δρουν ως μικροσκοπικοί μαγνήτες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αλληλεπιδράσουν και να διεγείρουν άλλα μαγνητικά σωματίδια χωρίς να διακυβεύεται η ατομική δομή της ύλης.

Ο Bay γνωρίστηκε με νετρόνια ενώ ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής στο Mourigal της Georgia Tech. Η Mourigal είναι συχνός χρήστης σκέδασης νετρονίων στον αντιδραστήρα υψηλής ροής του ιστού του ORNL (HFIR) και στο Spallation Neutron Source (SNS) για αρκετά χρόνια, χρησιμοποιώντας τις εγκαταστάσεις χρήστη του Γραφείου Επιστήμης του Τμήματος Ενέργειας για να μελετήσει ένα ευρύ φάσμα κβαντικών υλικών και των διάφορες και περίεργες συμπεριφορές.

Όταν η Bay και η Morigal εξέθεσαν ιωδιούχο σίδηρο σε μια δέσμη νετρονίων, περίμεναν να δουν μια συγκεκριμένη διέγερση ή μια σειρά ενέργειας που σχετίζεται με μια μαγνητική ροπή ενός μόνο ηλεκτρονίου. Αντ ‘αυτού, δεν είδαν δύο διαφορετικές κβαντικές διακυμάνσεις να εμφανίζονται ταυτόχρονα.

“Τα νετρόνια μας επέτρεψαν να δούμε αυτήν την ανεπαίσθητη ταλάντωση και μπορούμε να μετρήσουμε ολόκληρο το φάσμα της διέγερσης, αλλά ακόμα δεν καταλαβαίνουμε γιατί είδαμε τέτοια ασυνήθιστη συμπεριφορά στην φαινομενικά κλασική φάση”, δήλωσε ο Bay.

Για απαντήσεις, στράφηκαν στη θεωρητική φυσική Christian Batista, καθηγητής του Λίνκολν στο Πανεπιστήμιο του Tennessee-Knoxville και αναπληρωτής διευθυντής του κέντρου Scholl Wulan του ORNL – ένα κοινό ινστιτούτο επιστήμης νετρονίων που παρέχει στους επισκέπτες της έρευνας επιπλέον πόρους και εξειδίκευση στη σκέδαση νετρονίων.

Με τη βοήθεια του Batista και της ομάδας του, η ομάδα μπόρεσε να αναπτύξει ένα μαθηματικό μοντέλο της μυστηριώδους κβαντικής ταλαντωτικής συμπεριφοράς και αφού πραγματοποίησε επιπλέον πειράματα νετρονίων χρησιμοποιώντας εργαλεία CORELLI και SEQUOIA στο SNS, μπόρεσαν να προσδιορίσουν τον μηχανισμό που προκάλεσε αυτό να συμβεί. Παραστάσεις.

“Αυτό που προβλέπει η θεωρία και τι μπορέσαμε να επιβεβαιώσουμε χρησιμοποιώντας νετρόνια, είναι ότι αυτή η περίεργη διακύμανση συμβαίνει όταν η κατεύθυνση περιστροφής αντιστρέφεται μεταξύ δύο ηλεκτρονίων. Μαγνητικές στιγμές “Κλίση προς αντίθετες κατευθύνσεις”, είπε ο Μπατίστα. Όταν τα νετρόνια αλληλεπιδρούν με την περιστροφή των ηλεκτρονίων, οι περιστροφές περιστρέφονται συγχρονισμένα κατά μια συγκεκριμένη κατεύθυνση στο διάστημα. Αυτή η χορογραφία που προκύπτει από τη σκέδαση των νετρονίων δημιουργεί ένα κύμα περιστροφής. ”

Εξήγησε ότι σε διαφορετικά υλικά, τα ηλεκτρονικά μαθήματα μπορούν να πάρουν πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις και χορογραφίες που δημιουργούν διαφορετικούς τύπους Περιστρέψτε τα κύματα. Στην κβαντική μηχανική, αυτή η έννοια είναι γνωστή ως «δυαδικότητα κυμάτων-σωματιδίων», όπου τα νέα κύματα θεωρούνται νέα σωματίδια και συνήθως κρύβονται από τη διασπορά των νετρονίων υπό κανονικές συνθήκες.

«Κατά μία έννοια, ψάχνουμε για σκοτεινά σωματίδια», πρόσθεσε ο Μπατίστα. «Δεν μπορούμε να τα δούμε, αλλά ξέρουμε ότι είναι εκεί επειδή μπορούμε να δούμε τα αποτελέσματά τους ή τις αλληλεπιδράσεις που έχουν με σωματίδια που μπορούμε να δούμε».

Ο Bay είπε, “Στην κβαντική μηχανική, δεν υπάρχει διάκριση μεταξύ κυμάτων και σωματιδίων. Κατανοούμε τη συμπεριφορά ενός σωματιδίου με βάση το μήκος κύματος του, και αυτό μας επιτρέπουν να μετράμε τα νετρόνια.”

Ο Moregal παρομοίασε τον τρόπο με τον οποίο τα νετρόνια ανιχνεύουν σωματίδια με τα διαθλαστικά κύματα γύρω από τους βράχους στην επιφάνεια του ωκεανού.

“Στα στάσιμα νερά, δεν μπορούμε να δούμε βράχια στον πυθμένα του ωκεανού έως ότου το κύμα κινείται πάνω τους”, δήλωσε ο Moregal. Μόνο με τη δημιουργία όσο το δυνατόν περισσότερων κυμάτων με νετρόνια, μέσω της θεωρίας του Christian, ο Xiaojian μπόρεσε να εντοπίσει πετρώματα, ή σε αυτήν την περίπτωση, τις αλληλεπιδράσεις που κάνουν τις λεπτές διακυμάνσεις ορατές.

Η αξιοποίηση της κβαντικής μαγνητικής συμπεριφοράς έχει ήδη οδηγήσει σε τεχνολογικές εξελίξεις, όπως η μηχανή απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού και η αποθήκευση μαγνητικών σκληρών δίσκων που έχουν υποκινήσει τον προσωπικό υπολογιστή. Περισσότερα εξωτικά κβαντικά υλικά θα μπορούσαν να επιταχύνουν το επόμενο κύμα τεχνολογίας.

Εκτός από τους Bai, Moregal και Batista, οι συγγραφείς της εφημερίδας περιλαμβάνουν τους Shang-Shun Zhang, Chilling Dunn, Hao Zhang, Cheng Huang, Haedong Zu, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov και Feng Yi.

Από την ανακάλυψή τους, η ομάδα έχει χρησιμοποιήσει αυτές τις πληροφορίες για να αναπτύξει και να δοκιμάσει τις προβλέψεις σε ένα ευρύτερο σύνολο υλικών που αναμένουν ότι θα αποφέρουν τα πιο ελπιδοφόρα αποτελέσματα.

«Καθώς εισάγουμε περισσότερα συστατικά σε μια ουσία, αυξάνουμε επίσης πιθανά προβλήματα όπως το χάος και την ετερογένεια. Εάν θέλουμε πραγματικά να κατανοήσουμε και να δημιουργήσουμε καθαρά, κβαντικά μηχανικά συστήματα με βάση το υλικό, τότε η επιστροφή σε αυτά τα απλά συστήματα μπορεί να είναι πιο σημαντική από ό, τι εμείς σκέφτηκε », είπε ο Moregal.

“Αυτό λύνει το αίνιγμα του 40χρονου μυστηριώδους ενθουσιασμού του ιωδιούχου σιδήρου”, δήλωσε ο Μπάι. «Σήμερα έχουμε το πλεονέκτημα να προχωρούμε σε μεγάλη κλίμακα Νετρόνιο Εγκαταστάσεις όπως το SNS που μας επιτρέπουν ουσιαστικά να διερευνήσουμε τον πλήρη ενεργειακό και δυναμικό χώρο της ύλης για να δούμε τι συμβαίνει με αυτούς τους περίεργους ενθουσιασμούς.

«Τώρα που καταλαβαίνουμε πώς λειτουργεί αυτή η περίεργη συμπεριφορά σε ένα σχετικά απλό θέμα, μπορούμε να φανταστούμε τι θα μπορούσαμε να βρούμε σε πιο περίπλοκα υλικά. Έχουμε ενθαρρύνει αυτήν τη νέα κατανόηση και ελπίζουμε ότι θα ενθαρρύνει την επιστημονική κοινότητα να διερευνήσει περισσότερους από αυτούς τους τύπους υλικών που σίγουρα θα οδηγήσει στη φυσική. Πιο ενδιαφέρον. ”