中国、フランス、オーストラリアの研究者らは、スピン超固体と呼ばれるエキゾチックな量子状態に関する新たな証拠を発見した。この発見は、三角原子格子構造を持つ反強磁性体でなされたもので、基礎物理学におけるブレークスルーとなるとともに、この材料は巨大な磁気熱量効果も示すため、液体ヘリウムを必要としない新しい冷却技術の開発にも役立つ可能性がある。

その名前が示すように、超固体は、構成要素の粒子が（固体のように）結晶格子内に配置されているにもかかわらず、摩擦なしで流れる（超流体のように）材料です。そのため、これらの材料は 2 つの連続した対称性を破ります。それは、結晶秩序による並進不変性です。材料の摩擦のない流れによるゲージの対称性。

理論家は 1960 年代に、超固体はいわゆる可動ボソン空孔、つまり整数のスピン値を持つ原子が結晶格子を移動するときに残されるギャップを持つ量子固体中に存在するはずだと予測しました。 1980 年代に始まり、超流動ヘリウム 4 で超固体が発生する可能性があるというヒントに実験研究が焦点を当てました。 2004 年、米国ペンシルバニア州立大学の物理学者は、この材料の超固体の証拠を報告しました。しかし、同じ研究者によるさらなる調査により、 彼らが間違っていたことを明らかにした、そして彼らの観察は次のようになります 他の方法で説明される.

より最近の実験 らは、一方向に伸長した双極子量子気体が通常のボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) から超固体特性を持つ状態への相転移を起こす可能性があることを示しました。双極性気体中の原子は大きな磁気モーメントを持っており、それらの原子間の相互作用によってこれらの系に超固体が生じます。

証拠の層

主導の研究者 ガンス 中国科学院大学 (CAS) 北京では、化学式Naを持つ最近合成された反強磁性体の中に超固体の量子磁気類似体を発見したと発表している。₂BaCo(PO)₄)₂。 NBCP として知られるこの化合物は、巨大な磁気熱量効果も示します。これは、外部磁場が印加されたり除去されたりすると、劇的に加熱および冷却されることを意味します。

スーさんと仲間たち 李Li CAS 理論物理学研究所; シアン・ジュンセン & スン・ペイジエ CAS物理研究所、および ジン・ウェンタオ at ベイハン大学 彼らの実験データと超固体量子相転移の理論計算が見事に一致したことは、彼らが新たなスピン超固体を観察していることを確信させるのに役立った。

さらなる確認は、彼らが国立研究所でNBCPの高品質サンプルに対して中性子回折実験を実施することによって得られた顕微鏡的な証拠によってもたらされました。 インスティテュート ラウエ ランジュヴァン フランスと オーストラリア原子力科学技術機関。 「回折ピークにより、面内 3 副格子秩序、固体秩序、および面外方向の非共約性が明らかになりました」と Su 氏は言います。 「後者は、ギャップのないゴールドストーン モード（ボーソンにおける対称性の破れの一形態）の存在に関連している可能性があり、したがって化合物中にスピン超流動性が存在することを裏付けています。」

物質の新しい量子状態と新しい冷却メカニズム

CAS チームが NBCP を研究することにしたのは、NBCP が強力な低エネルギースピン揺らぎを示し、量子スピン液体状態の可能性を示しているためです。これは反強磁性体でもあります。つまり、平行な電子スピンを持つ従来の強磁性体とは異なり、その電子スピンは互いに反平行に整列する傾向があります。この反整列により、スピン間に強い相互作用が生じます。

チームメンバーの1人がスピン超固体がNBCPに存在する可能性があると示唆した後、リーとガンは実験者の同僚であるシャン、ジン、サンに化合物内で新しい量子スピン状態を探すことが可能かどうか尋ねた。 「彼らは物質の新しい量子状態であるスピン超固体を実際に観察し、観察しました」とリー氏は振り返る。

この発見は、物質の新しい量子状態を明らかにするだけでなく、ヘリウムフリーの新しいサブケルビン冷却方法にもつながる可能性がある。これらは、とりわけ材料科学、量子技術、宇宙応用で非常に人気があるとリー氏は語ります。 物理学の世界.

Li 氏は、材料を数ケルビンの温度まで冷却するには現在 4.15 つの主な方法があると説明します。 XNUMX つ目は、XNUMX K 未満の温度で液体になるヘリウムを使用することです。XNUMX つ目は、印加された磁場の影響下で特定の材料の温度が変化する磁気熱量効果を利用することです。これらの技術には両方とも欠点があります。ヘリウムは希少で高価である一方、磁気熱量冷却に使用される特殊な種類の化合物 (水和常磁性塩として知られています) は磁気エントロピー密度が低く、化学的安定性が低く、熱伝導率が低いのです。しかし、リー氏は、新たに発見されたスピン超固体における巨大磁気熱量効果は、低エネルギーでの集団スピン励起を利用することで「これらの欠点を効果的に克服できる」と主張している。

他のスピン超固体を探しています

研究者らは現在、NBCP におけるスピン超固体性に関する追加の力学的証拠を取得しようとしています。この目的のために、スピン超流体秩序に関連するゴールドストーンモードを調査するために非弾性中性子散乱測定を行っているとジン氏は述べています。彼らはまた、研究結果をさらに強化するために偏光中性子回折実験を実施することも計画している。

最後に、チームは追加のスピン超固体状態または他のエキゾチックスピン状態を特定するために、他の三角格子化合物を研究しています。 「そうすることで、物質の興味深い量子相を引き起こす根本的な物理現象をより深く理解できるようにしたいと考えています」とスー氏は言う。

彼らの現在の研究については、以下で詳しく説明されています。 自然.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/