美國能源部下屬橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的科學(xué)家們利用中子散射來確定一種特定材料的原子結(jié)構(gòu)是否能夠承載一種叫做螺旋自旋液體的新型物質(zhì)狀態(tài)。該研究小組通過追蹤被稱為”自旋”的微小磁矩在層狀三氯化鐵磁體的蜂窩狀晶格上發(fā)現(xiàn)了第一個承載螺旋自旋液體的二維系統(tǒng)。
這一發(fā)現(xiàn)為未來研究可能推動下一代信息技術(shù)的物理現(xiàn)象提供了一個試驗(yàn)臺。這些現(xiàn)象包括分形子和斯格明子。分子是集體量化的振動，在量子計(jì)算中可能被證明是有前景的。斯格明子是新型的磁自旋紋理，可以推進(jìn)高密度數(shù)據(jù)存儲。
ORNL的研究人員 Shang Gao說：“承載螺旋自旋液體的材料特別令人興奮，因?yàn)樗鼈冇锌赡鼙挥脕懋a(chǎn)生量子自旋液體、自旋紋理和分子激發(fā)，”他領(lǐng)導(dǎo)了發(fā)表在《物理評論快報》上的這項(xiàng)研究。
一個長期存在的理論預(yù)測，蜂窩狀的晶格可以承載螺旋自旋液體。這是物質(zhì)的一個新階段，其中自旋形成波動的開瓶器狀結(jié)構(gòu)。
然而，在這項(xiàng)研究之前，二維系統(tǒng)中的這種相的實(shí)驗(yàn)證據(jù)一直缺乏。二維系統(tǒng)包括一個層狀晶體材料，其中平面上的相互作用比堆積方向上的更強(qiáng)。
研究人員將三氯化鐵確定為測試該理論的一個有希望的平臺，該理論是在十多年前提出的。研究合著者、ORNL的Andrew Christianson找到了來自O(shè)RNL的Michael McGuire，他在生長和研究二維材料方面有廣泛的工作經(jīng)驗(yàn)，詢問他是否會合成和描述一個三氯化鐵的樣品，以便進(jìn)行中子散射測量。就像二維石墨烯層作為純碳的蜂窩狀格子存在于塊狀石墨中一樣，二維鐵層作為二維蜂窩狀層存在于塊狀三氯化鐵中?！耙郧暗膱蟾姘凳荆@種有趣的蜂窩狀材料在低溫下可能顯示出復(fù)雜的磁性行為，”McGuire說。
“每個蜂窩狀的鐵層在其上方和下方都有氯原子，構(gòu)成氯-鐵-氯板，”McGuire說。”一個板塊頂部的氯原子通過范德瓦耳斯鍵與下一個板塊底部的氯原子發(fā)生非常弱的相互作用。這種微弱的結(jié)合使得像這樣的材料很容易被剝離成非常薄的層，往往是一個單一的板塊。這對于開發(fā)設(shè)備和理解量子物理學(xué)從三維到二維的演變是很有用的。”
在量子材料中，電子自旋可以有集體和外向的行為。如果一個自旋移動，所有的自旋都會做出反應(yīng)–一種被愛因斯坦稱為”遠(yuǎn)距離幽靈行動”的糾纏狀態(tài)。該系統(tǒng)保持在一種挫折狀態(tài)–一種保持無序的液體，因?yàn)殡娮幼孕粩喔淖兎较?，迫使其他糾纏的電子波動以作出反應(yīng)。
60年前，第一個氯化鐵晶體的中子衍射研究是在ORNL進(jìn)行的。今天，ORNL在材料合成、中子散射、模擬、理論、成像和計(jì)算方面的廣泛專業(yè)知識使其能夠?qū)Υ判粤孔硬牧线M(jìn)行開拓性的探索，從而推動下一代信息安全和存儲技術(shù)的發(fā)展。
繪制螺旋自旋液體中的自旋運(yùn)動圖是由美國能源部科學(xué)辦公室在ORNL的用戶設(shè)施–輻照中子源和高通量同位素反應(yīng)堆的專家和工具實(shí)現(xiàn)的。ORNL的合作者們對中子散射實(shí)驗(yàn)的成功至關(guān)重要。Clarina dela Cruz領(lǐng)導(dǎo)了使用HFIR的POWDER衍射儀的實(shí)驗(yàn)；劉耀華領(lǐng)導(dǎo)了使用SNS的CORELLI光譜儀的實(shí)驗(yàn)；Matthias Frontzek領(lǐng)導(dǎo)了使用HFIR的WAND2衍射儀的實(shí)驗(yàn)；Matthew Stone領(lǐng)導(dǎo)了操作SNS的SEQUOIA光譜儀的實(shí)驗(yàn)；以及Douglas Abernathy領(lǐng)導(dǎo)了操作SNS的ARCS光譜儀的實(shí)驗(yàn)。
“我們在SNS和HFIR測量的中子散射數(shù)據(jù)為螺旋自旋液相提供了令人信服的證據(jù)，”研究人員說。
“中子散射實(shí)驗(yàn)測量了中子如何與樣品交換能量和動量，從而可以推斷出磁特性，”共同作者M(jìn)atthew Stone說。他描述了螺旋自旋液體的磁結(jié)構(gòu)：“它看起來像一群山的地形圖，有一堆環(huán)狀物向外延伸。如果你沿著一個環(huán)走，所有的自旋都會指向同一個方向。但是如果你向外走，穿過不同的環(huán)，你會看到那些旋轉(zhuǎn)開始圍繞它們的軸旋轉(zhuǎn)。這就是螺旋?！?/p>
“我們的研究表明，螺旋自旋液體的概念對于廣泛的蜂窩狀晶格材料是可行的，”共同作者Andrew Christianson說。“它為社區(qū)提供了一條探索自旋紋理和新型激發(fā)的新途徑，如分形子，然后可能用于未來的應(yīng)用，如量子計(jì)算。”
