Neutron menyusun 40 tahun teka-teki di balik magnet misterius iodida besi

Material tingkat lanjut dengan sifat yang lebih baru hampir selalu dikembangkan dengan menambahkan lebih banyak elemen ke daftar bahan. Namun, penelitian kuantum menunjukkan bahwa beberapa bahan yang lebih sederhana mungkin sudah memiliki sifat maju yang tidak dapat dilihat oleh para ilmuwan sebelumnya.

Peneliti Georgia Tech dan University of Tennessee-Knoxville menemukan perilaku kuantum tersembunyi dan tak terduga dalam bahan besi iodida (FeI) yang cukup sederhana.₂), yang ditemukan hampir seabad yang lalu. Penelitian baru tentang perilaku material dimungkinkan oleh kombinasi eksperimen hamburan neutron dan perhitungan fisik teoretis di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL) dari Departemen Energi (DOE).

Hasil tim – diterbitkan di jurnal Fisika alam– Memecahkan teka-teki berusia 40 tahun tentang perilaku misterius material dan dapat digunakan sebagai peta untuk membuka harta karun fenomena kuantum di material lain.

“Penemuan kami sebagian besar didorong oleh rasa ingin tahu,” kata Xiaojian Bai, penulis utama surat kabar itu. Bai memiliki gelar Ph.D. di Georgia Tech dan merupakan rekan postdoctoral di ORNL, di mana dia belajar dengan neutron bahan magnet. “Saya menemukan bahan iodida besi ini sebagai bagian dari tesis doktoral saya pada tahun 2019. Saya mencoba menemukan hubungan dengan susunan kisi segitiga magnetik yang dikenal sebagai ‘magnet frustrasi’.”

Dalam magnet konvensional seperti magnet kulkas, elektron dalam material disusun dalam garis seperti panah, yang semuanya mengarah ke arah yang sama – naik atau turun – atau bergantian antara naik dan turun. Arah titik elektron disebut “spin”. Dalam bahan yang lebih kompleks seperti besi iodida, elektron disusun dalam kisi segitiga di mana gaya magnet antara tiga momen magnet bertentangan dan tidak yakin ke arah mana untuk menunjuk – karenanya “magnet frustrasi”.

“Saat saya membaca semua literatur, saya melihat senyawa ini, besi iodida, yang ditemukan pada tahun 1929 dan dipelajari secara intensif pada tahun 1970-an dan 80-an,” kata Bai. “Pada saat itu, mereka melihat beberapa keanehan atau perilaku tidak konvensional, tetapi mereka tidak benar-benar memiliki sumber daya untuk sepenuhnya memahami mengapa mereka melihatnya. Jadi kami tahu ada sesuatu yang belum terselesaikan yang aneh dan menarik, dan dibandingkan empat puluh tahun yang lalu Selama bertahun-tahun kami memiliki alat eksperimental yang jauh lebih canggih, jadi kami memutuskan untuk memeriksa kembali masalah ini dan berharap mendapatkan beberapa pengetahuan baru. ”

Materi kuantum sering digambarkan sebagai sistem yang menunjukkan perilaku eksotis dan tidak mematuhi hukum fisika klasik – seperti materi padat yang berperilaku seperti cairan, dengan partikel yang bergerak seperti air dan menolak untuk membeku atau milik mereka, bahkan pada suhu beku. Hentikan gerakan. Memahami bagaimana fenomena eksotis ini bekerja atau mekanisme yang mendasarinya adalah kunci untuk memajukan elektronik dan mengembangkan teknologi generasi berikutnya.

“Ada dua hal yang sangat menarik dalam material kuantum: fase materi seperti cairan, padatan, dan gas, dan eksitasi fase ini seperti gelombang suara. Demikian pula, gelombang spin adalah eksitasi material padat magnetik,” kata Martin Mourigal. Profesor Fisika di Georgia Tech. “Pencarian kami untuk material kuantum telah lama menemukan fase eksotis, tetapi pertanyaan yang kami tanyakan pada diri kami sendiri dalam penelitian ini adalah, ‘Mungkin fase itu sendiri tampaknya tidak eksotis, tetapi bagaimana jika rangsangannya?’ Dan itulah yang kami temukan. ”

Neutron adalah probe ideal untuk mempelajari magnet karena mereka sendiri bertindak seperti magnet mikroskopis dan dapat digunakan untuk berinteraksi dengan dan merangsang partikel magnet lain tanpa mempengaruhi struktur atom suatu material.

Bai diperkenalkan dengan neutron sebagai mahasiswa pascasarjana dari Mourigal di Georgia Tech. Mourigal telah menjadi pengguna hamburan neutron yang sering di Reaktor Isotop Fluks Tinggi (HFIR) dan Sumber Neutron Spallation (SNS) dari ORNL selama beberapa tahun. Dalam melakukannya, dia menggunakan fasilitas pengguna dari DOE Office of Science untuk mempelajari berbagai material kuantum dan perilaku mereka yang beragam dan aneh.

Ketika Bai dan Mourigal memaparkan bahan besi iodida ke berkas neutron, mereka mengharapkan eksitasi atau pita energi tertentu yang terkait dengan momen magnet satu elektron. sebaliknya mereka melihat bukan hanya satu tapi dua fluktuasi kuantum berbeda yang memancar secara bersamaan.

“Dengan neutron kami dapat melihat fluktuasi tersembunyi ini dengan sangat jelas dan mengukur seluruh spektrum eksitasi, tetapi kami masih belum mengerti mengapa kami mengamati perilaku abnormal seperti itu dalam apa yang tampak sebagai fase klasik,” kata Bai.

Untuk mendapatkan jawaban, mereka beralih ke fisikawan teoretis Cristian Batista, Ketua Profesor Lincoln di Universitas Tennessee-Knoxville dan Wakil Direktur Shull Wollan Center di ORNL – sebuah institut sains neutron bersama yang menyediakan sumber daya dan keahlian tambahan bagi para peneliti tamu tentang hamburan neutron.

Dengan bantuan Batista dan kelompoknya, tim tersebut dapat secara matematis memodelkan perilaku fluktuasi kuantum misterius dan, setelah melakukan eksperimen neutron tambahan dengan instrumen CORELLI dan SEQUOIA di SNS, mengidentifikasi mekanisme yang menyebabkannya muncul.

“Apa yang diprediksikan oleh teori, dan apa yang dapat kami konfirmasikan dengan neutron, adalah bahwa fluktuasi eksotis ini terjadi ketika arah putaran antara dua elektron dibalik dan arah putarannya. momen magnetis Miringkan ke arah berlawanan, “kata Batista.” Ketika neutron berinteraksi dengan spin elektron, spin tersebut berputar secara sinkron di sepanjang arah tertentu di ruang angkasa. Koreografi yang dipicu oleh hamburan neutron ini menghasilkan gelombang spin. ”

Dia menjelaskan bahwa putaran elektronik pada bahan yang berbeda dapat mengambil banyak orientasi berbeda dan koreografi putaran yang menciptakan berbagai jenis putaran. Putar ombak. Dalam mekanika kuantum, konsep ini dikenal sebagai “dualitas gelombang-partikel”, di mana gelombang baru dipandang sebagai partikel baru dan biasanya tersembunyi dalam kondisi normal hamburan neutron.

“Di satu sisi, kami sedang mencari partikel gelap,” tambah Batista. “Kami tidak dapat melihatnya, tetapi kami tahu mereka ada di sana karena kami dapat melihat efeknya atau interaksi mereka dengan partikel yang dapat kami lihat.”

“Dalam mekanika kuantum, tidak ada perbedaan antara gelombang dan partikel. Kami memahami perilaku partikel dalam hal panjang gelombang, dan itulah yang dapat kami ukur dengan neutron,” kata Bai.

Mourigal membandingkan cara neutron mengenali partikel dengan gelombang yang pecah di sekitar bebatuan di permukaan laut.

“Di air yang tenang, kita tidak bisa melihat bebatuan di dasar laut sampai gelombang bergerak di atasnya,” kata Mourigal. “Hanya dengan menghasilkan gelombang sebanyak mungkin dengan neutron, Xiaojian dapat menggunakan teori Cristian untuk mengidentifikasi bebatuan atau, dalam hal ini, interaksi yang membuat fluktuasi tersembunyi terlihat.

Penggunaan perilaku magnetik kuantum telah menyebabkan kemajuan teknologi seperti mesin MRI dan penyimpanan hard disk magnetik yang mengkatalisasi komputasi personal. Bahan kuantum yang lebih eksotis dapat mempercepat gelombang teknologi berikutnya.

Selain Bai, Mourigal dan Batista, penulis makalah ini termasuk Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov dan Feng Ye.

Sejak penemuan mereka, tim telah menggunakan temuan ini untuk mengembangkan dan menguji prediksi untuk berbagai materi yang mereka harapkan dapat menghasilkan hasil yang lebih menjanjikan.

“Saat kami menambahkan lebih banyak bahan ke bahan, kami juga meningkatkan potensi masalah seperti gangguan dan heterogenitas. Jika kami ingin memahami dan membuat sistem mekanis kuantum yang benar-benar bersih berdasarkan bahan, mungkin lebih penting untuk kembali menggunakan sistem sederhana ini daripada kami pikir “kata Mourigal.

“Ini memecahkan teka-teki berusia 40 tahun dari kegembiraan misterius yang disebabkan oleh iodida besi,” kata Bai. “Saat ini kami memiliki keuntungan dalam pengembangan lebih lanjut dari perusahaan besar neutron Fasilitas seperti SNS yang memungkinkan kita pada dasarnya memeriksa seluruh energi dan ruang momentum suatu materi untuk melihat apa yang terjadi pada rangsangan eksotis ini.

‘Sekarang setelah kami memahami bagaimana perilaku eksotis ini bekerja dalam materi yang relatif sederhana, kami dapat membayangkan apa yang mungkin kami temukan dalam materi yang lebih rumit. Pemahaman baru ini telah memotivasi kami dan semoga akan memotivasi komunitas ilmiah untuk mempelajari lebih banyak materi semacam itu yang tentunya akan mengarahkan ke fisika yang lebih menarik. ”