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新型磁性量子材料可容納螺旋自旋液體

文章來源：賢集網更新時間：2022-07-28 15:13:20

7月28日消息，橡樹嶺國家實驗室的科學家們使用中子散射來確定特定材料的原子結構是否可以承載一種稱為螺旋自旋液體的新物質狀態。通過跟蹤層狀三氯化鐵磁體蜂窩晶格上稱為“自旋”的微小磁矩，該團隊發現了第一個容納螺旋自旋液體的二維系統。

這一發現為未來可能推動下一代信息技術的物理現象研究提供了一個試驗臺。其中包括可能在量子計算中被證明有前途的分子或集體量化振動，以及可以推進高密度數據存儲的新型磁自旋紋理。

中子散射揭示了三氯化鐵的自旋相關性。一位藝術家的描繪解釋了提供螺旋自旋液態證據的散射。圖片來源：杰奎琳·德明克/ORNL

“承載螺旋自旋液體的材料特別令人興奮，因為它們有可能用于產生量子自旋液體、自旋紋理和分形激發，”ORNL 的尚高說，他領導了發表在《物理評論快報》上的這項研究。

一個長期存在的理論預測，蜂窩晶格可以容納螺旋自旋液體——一種新的物質相，其中自旋形成波動的開瓶器狀結構。

然而，在本研究之前，一直缺乏二維系統中這一階段的實驗證據。2D 系統包括層狀晶體材料，其中在平面上的相互作用比在堆疊方向上的相互作用更強。

高將三氯化鐵確定為測試該理論的有前途的平臺，該理論是十多年前提出的。他和 ORNL 的合著者 Andrew Christianson 聯系了同樣來自 ORNL 的 Michael McGuire，后者在二維材料的生長和研究方面進行了廣泛的工作，詢問他是否會合成和表征用于中子衍射測量的三氯化鐵樣品。就像二維石墨烯層作為純碳的蜂窩晶格存在于塊狀石墨中一樣，二維鐵層作為二維蜂窩層存在于塊狀三氯化鐵中。

“以前的報告暗示，這種有趣的蜂窩材料可以在低溫下表現出復雜的磁性，”麥奎爾說。

每個蜂窩狀的鐵層上下都有氯原子，形成氯-鐵-氯板，一塊板頂部的氯原子通過范德華鍵與下一塊板底部的氯原子相互作用非常微弱。這種弱鍵使得像這樣的材料很容易剝離成非常薄的層，通常是一塊板. 這對于開發設備和理解量子物理學從三維到二維的演變很有用。

在量子材料中，電子自旋可以集體和奇異地表現。如果一個旋轉運動，所有的人都會做出反應——愛因斯坦稱之為“遠距離的幽靈行動”的糾纏狀態。該系統處于受挫狀態——一種保持無序的液體，因為電子自旋不斷改變方向，迫使其他糾纏電子響應波動。

60 年前，ORNL 對氯化鐵晶體進行了首次中子衍射研究。今天，ORNL 在材料合成、成像、中子散射、理論、模擬和計算方面擁有廣泛的專業知識，能夠開創性地探索磁性量子材料，推動下一代信息安全和存儲技術的發展。

散裂中子源和高通量同位素反應堆（ORNL 的 DOE 科學辦公室用戶設施）的專家和工具使繪制螺旋自旋液體中的自旋運動成為可能。ORNL 的合著者對于中子散射實驗的成功至關重要：Clarina dela Cruz，他領導了使用 HFIR 粉末衍射儀的實驗；Yaohua Liu，領導使用 SNS 的 CORELLI 光譜儀進行的實驗；Matthias Frontzek，領導了使用 HFIR 的 WAND 2衍射儀進行的實驗；Matthew Stone，他領導了 SNS 的 SEQUOIA 光譜儀的操作實驗；和 Douglas Abernathy，他領導了 SNS 的 ARCS 光譜儀的實驗。

“我們在 SNS 和 HFIR 測量的中子散射數據為螺旋自旋液相提供了令人信服的證據，”高說。

共同作者馬修斯通指出，中子散射實驗測量了中子如何與樣品交換能量和動量，從而推斷出磁性。他描述了一種螺旋自旋液體的磁性結構：它看起來像是一組山脈的地形圖，有一堆向外延伸的環。如果你沿著一個環走，所有的自旋都會指向同一個方向。但是如果你向外走并穿過不同的環，你會看到這些自旋開始圍繞它們的軸旋轉。

“我們的研究表明，螺旋自旋液體的概念對于廣泛的蜂窩晶格材料是可行的，”共同作者 Andrew Christianson 說：“它為社區提供了一條探索自旋紋理和新穎激發（例如分形）的新途徑，然后可能用于未來的應用，例如量子計算。”

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來源：賢集網
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