中子识别量子旋转液配方的关键成分

稀土金属氧化物的中子散射研究已经确定了量子旋转液体拼图的基本部分，揭示了对这些材料中的磁矩如何以及为何表现出奇异行为的更好理解，例如即使在绝对零度附近也未能冻结成有序排列温度。

在自然物理学杂志上发表的一篇论文中，来自佐治亚理工学院，田纳西大学和能源部橡树岭国家实验室的一组研究人员使用中子来研究稀土金属氧化物中异常磁性行为的起源。 ，镱 - 镁 - 四氧化镓(YbMgGaO 4)。这种材料在2015年被发现，众所周知具有奇怪的磁性，将其归入属于量子旋转液体的独特材料类别。

“量子自旋液体是一种奇特的物质状态，其特征是在原子尺度上长距离的粒子缠结，”佐治亚理工学院助理物理学教授Martin Mourigal说。

想想薛定谔的猫，思想实验，他说：许多粒子参与量子叠加，其中多个量子态结合形成新的量子态，并且不能用单个粒子的行为来表征。

根据定义，他说，“这是我们用经典物理学无法解释的东西。”

在ORNL的Spallation Neutron Source的一系列实验中，研究人员揭示了支撑材料异域特性的三个关键特征：

反铁磁相互作用，其中电子自旋组与它们各自的邻居具有反平行排列;

自旋空间各向异性，意味着单个磁矩强烈倾向于将自身与材料中的特定方向对齐; 和

材料磁性层之间的化学无序使电子自旋之间的相互作用随机化。

中子非常适合研究磁性，因为它们缺乏电荷使它们能够穿透材料，即使中子的能量很低。中子也具有磁矩，允许研究人员直接探测材料内自旋的行为。

“中子散射是唯一允许我们在最低温度下研究量子自旋液体动力学的技术，”Mourigal说。

然而，量子自旋液体是一个挑战，因为它们的磁矩不断变化。在典型的材料中，研究人员可以通过降低样品的温度将旋转锁定为某些对称图案，但这种方法不适用于旋转液体。

在SNS的冷中子斩波光谱仪CNCS 的团队首次中子散射测量YbMgGaO 4单晶样品时，研究人员观察到，即使在0.06开尔文(大约负华氏460度)的温度下，磁激发仍然是无序的或“模糊。”这种波动的磁性行为，已知发生在量子自旋液体中，与经典物理定律背道而驰。

“当我们将它放入梁中时，材料会尖叫旋转液体，”Mourigal说。

为了克服这种模糊性，该团队使用8特斯拉磁铁创建了一个磁场，将旋转锁定为有序和部分冻结的排列，从而可以进行更好的测量。

“一旦我们应用磁场，我们就能够测量传播类似声波的材料中的相干磁激发，”CNCS仪器科学家Georg Ehlers说。“当一颗中子进入材料时，它会在一个磁矩中飞行并震动它。附近的磁力瞬间看到了这种情况，它们都开始一致振动。这些振动的频率取决于相邻旋转之间的能量。“

这些磁场测量使团队能够直接验证理论预期，并提供对自旋行为和整个系统的物理理解。

“量子自旋液体是一种本质上是集体的物质状态，”穆里加尔说。“但如果你想了解社会，你也需要了解这些人。”

然后团队转向另一台SNS仪器，精细分辨率Fermi Chopper光谱仪仪器SEQUOIA，以了解磁矩的各个属性。

“在稀土磁体中，丰富的物理特性，就像在CNCS仪器中观察到的那样，可以从个体旋转更喜欢指向晶体中某些方向的事实中产生，”SEQUOIA仪器科学家Matthew Stone说。“SEQUOIA检查了局部的较高能量状态，以确认用于描述CNCS数据的模型的各个部分是正确的。”

Mourigal说，从实验中收集的信息将使研究人员能够开发更好的理论模型，以进一步研究这些量子现象。

“虽然这种材料所承载的量子态的确切性质还没有完全确定，但我们发现化学无序和其他影响在这里很重要，”Mourigal说。“通过这些实验，我们确实能够确定需要将哪些成分纳入这种材料中的量子旋转液配方中。”

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