В работе, опубликованной по своей природе, Физика, команда исследователей из Технологического института штата Джорджия, Университета Теннесси и Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики использовали нейтроны, чтобы исследовать происхождение необычных магнитных свойств в основанной на редкоземельном элементе металлической окиси, галлии магния иттербия tetraoxide (YbMgGaO4). У материала, обнаруженного в 2015, как известно, есть странные магнитные свойства, помещая его в уникальную категорию материалов, классифицированных как квантовые жидкости вращения.«Квантовая жидкость вращения – экзотическое состояние вещества, характеризуемое запутанностью частиц по большим расстояниям через уровень атомов», сказал ведущий следователь Мартин Муригэл, преподаватель физики помощника в Технологическом институте штата Джорджия.Думайте о кошке Шродингера, мысленном эксперименте, он сказал: Много частиц участвуют в квантовом суперположении, где многократное объединение квантовых состояний, чтобы сформировать новое квантовое состояние, и не может быть характеризовано поведением отдельных частиц.
По определению он сказал, «это – что-то, что мы не можем объяснить с классической физикой».В ряде экспериментов в Источнике Нейтрона Расщепления ядра ORNL исследователи показали три главных особенности, подкрепляющие экзотические свойства материала:антиферромагнитные взаимодействия, где у групп электронных вращений есть антипараллельное выравнивание с их соответствующими соседями; прядите космическую анизотропию, подразумевая, что отдельные магнитные моменты сильно предпочитают присоединяться вместе с определенными направлениями в материале; и химический беспорядок между магнитными слоями материала, который рандомизирует взаимодействия между электронными вращениями.
Нейтроны хорошо подходят для изучения магнетизма, потому что их отсутствие электрического заряда позволяет им проникать через материалы, даже когда энергия нейтронов низкая. У нейтронов также есть магнитные моменты, позволяя исследователям непосредственно исследовать поведение вращений в материалах.«Нейтронное рассеивание – единственная техника, которая позволяет нам изучать динамику квантовых жидкостей вращения при самых низких температурах», сказал Муригэл.
Однако квантовые жидкости вращения представляют собой проблему, потому что их магнитные моменты постоянно изменяются. В типичных материалах исследователи могут захватить вращения в определенные симметричные образцы, понизив температуру образца, но этот подход не работает над жидкостями вращения.
В первых измерениях рассеивания нейтрона командой одно-кристаллического образца YbMgGaO4 в Холодном Нейтронном Спектрометре Вертолета SNS, CNCS, исследователи заметили, что, даже при температуре 0.06 kelvins (приблизительно отрицательные 460 градусов по Фаренгейту), магнитные возбуждения остались беспорядочными или «нечеткими». Эти колеблющиеся магнитные свойства, которые, как известно, произошли с квантом, прядут жидкости, пробеги в противоречии с законами классической физики.
«Материал кричал жидкость вращения, когда мы помещаем его в луч», сказал Муригэл.Чтобы преодолеть эту нечеткость, команда использовала 8 магнитов Tesla, чтобы создать магнитное поле, которое захватило вращения в заказанную и частично замороженную договоренность, допуская лучшие измерения.
«Как только мы применили магнитное поле, мы смогли измерить последовательные магнитные возбуждения в материале, которые размножают вид подобных звуковых волн», сказал ученый инструмента CNCS Георг Элерс. «Когда нейтрон входит в материал, он летит к магнитному моменту и встряхивает его. Соседние магнитные моменты видят этот случай, и они все начинают вибрировать в унисон.
Частота этих колебаний определена энергией между соседними вращениями».Те измерения магнитного поля позволили команде непосредственно утвердить теоретические ожидания и обеспечили физическое понимание поведения вращения и системы в целом.«Квантовая жидкость вращения – свойственно коллективное состояние вещества», сказал Муригэл. «Но если Вы хотите понять общество, Вы должны понять людей также».
Команда тогда обратилась к другому инструменту SNS, инструменту Спектрометра Вертолета Ферми Высокого разрешения, СЕКВОЙЕ, чтобы понять отдельные свойства магнитных моментов.«В магнитах редкоземельных элементов богатая физика, как то, что наблюдалось в инструменте CNCS, может появиться из того, что отдельные вращения могут предпочесть указывать вдоль определенных направлений в кристалле», сказал ученый инструмента СЕКВОЙИ Мэтью Стоун. «СЕКВОЙЯ исследовала локализованные более высокие энергетические государства, чтобы подтвердить, что отдельные части модели, используемой, чтобы описать данные CNCS, были правильны».Муригэл говорит, что информация, подбираемая из экспериментов, позволит исследователям разработать лучше теоретические модели, чтобы далее изучить эти квантовые явления.
«В то время как точный характер квантового состояния, принятого этим материалом еще, не был полностью установлен, мы обнаружили, что химический беспорядок и другие эффекты важны здесь», сказал Муригэл. «С этими экспериментами мы действительно были в состоянии прибить, какие компоненты должны быть взяты в рецепт для квантовой жидкости вращения в этом материале».