Forskare i Kina, Frankrike och Australien har hittat nya bevis för ett exotiskt kvanttillstånd av materia som kallas en spin supersolid. Upptäckten, gjord i ett antiferromagnetiskt material med en triangulär atomgitterstruktur, representerar ett genombrott inom fundamental fysik och kan också hjälpa utvecklingen av nya kyltekniker som inte kräver flytande helium, eftersom materialet också visar en gigantisk magnetokalorisk effekt.

Som namnet antyder är supersolider material som flyter utan friktion (som en supervätska) även om deras komponentpartiklar är ordnade i ett kristallint gitter (som ett fast ämne). Som sådana bryter dessa material två kontinuerliga symmetrier: translationell invarians, på grund av den kristallina ordningen; och mätsymmetri, på grund av materialets friktionsfria flöde.

Teoretiker förutspådde på 1960-talet att supersolider skulle existera i kvantfasta ämnen med så kallade mobila bosoniska vakanser – det vill säga luckor som lämnas kvar när atomer med heltalsspinnvärden rör sig genom det kristallina gittret. Med början på 1980-talet fokuserade experimentell forskning på antydningar om att supersoliditet kan förekomma i superfluid helium-4. 2004 rapporterade fysiker vid Pennsylvania State University i USA bevis för supersoliditet i detta material. Dock ytterligare undersökning av samma forskare avslöjade att de hade fel, och deras observationer kan vara förklarat på andra sätt.

Senare experiment har visat att dipolära kvantgaser förlängda i en riktning kan genomgå en fasövergång från ett vanligt Bose-Einstein-kondensat (BEC) till ett tillstånd med supersolidegenskaper. Atomer i dipolära gaser har stora magnetiska moment och det är interaktionerna mellan dem som ger upphov till supersoliditet i dessa system.

Lager av bevis

Forskare ledd av Gang Su vid University of Chinese Academy of Sciences (CAS) i Peking säger nu att de har hittat den kvantmagnetiska analogen av ett supersolid i en nyligen syntetiserad antiferromagnet med den kemiska formeln Na₂BaCo(PO₄)₂. Denna förening, känd som NBCP, uppvisar också en gigantisk magnetokalorisk effekt, vilket innebär att den värms upp och kyls ner dramatiskt när ett externt magnetfält appliceras och tas bort.

Su och kollegor Wei Li av Institutet för teoretisk fysik, CAS; Junsen Xiang och Peijie sön från Institutet för fysik, CAS; Och Wentao Jin at Beihang University utförde sina magnetokaloriska mätningar vid temperaturer under 1 K. Den utmärkta överensstämmelsen mellan deras experimentella data och teoretiska beräkningar av supersolid kvantfasövergångar hjälpte till att övertyga dem om att de observerade ett nytt spin supersolid.

Ytterligare bekräftelse kom från mikroskopiska bevis som de fick genom att utföra neutrondiffraktionsexperiment på högkvalitativa prover av NBCP vid Institut Laue-Langevin i Frankrike och Australian Nuclear Science and Technology Organisation. "Diffraktionstopparna avslöjade tre-subgitterordning i planet, solid ordning och inkommensurabilitet i riktning utanför planet", säger Su. "Det senare kan relateras till förekomsten av gaplösa Goldstone-lägen (en form av symmetribrott i bosoner) och stöder därför förekomsten av spinnsuperfluiditet i föreningen."

Ett nytt kvanttillstånd av materia och en ny kylmekanism

CAS-teamet valde att studera NBCP eftersom det uppvisar starka lågenergispinfluktuationer, vilket indikerar ett möjligt kvantspinnvätsketillstånd. Det är också en antiferromagnet, vilket betyder att till skillnad från konventionella ferromagneter, som har parallella elektronsnurr, tenderar dess elektronsnurr att rikta sig antiparallellt med varandra. Denna anti-inriktning leder till starka interaktioner mellan snurren.

Efter att en av teamets medlemmar föreslog att ett spin-supersolid kan finnas i NBCP, frågade Li och Gang sina experimentella kollegor Xiang, Jin och Sun om det var möjligt att leta efter nya kvantspinntillstånd i föreningen. "De gjorde och observerade materiens nya kvanttillstånd, spinn supersolid", minns Li.

Förutom att avslöja ett nytt kvanttillstånd av materia, kan upptäckten också leda till nya heliumfria sub-Kelvin-kylningsmetoder. Dessa är mycket eftertraktade för bland annat materialvetenskap, kvantteknologi och rymdtillämpningar, berättar Li Fysikvärlden.

Li förklarar att det för närvarande finns två huvudsakliga sätt att kyla material till få Kelvin-temperaturer. Den första är att använda helium, som blir en vätska vid temperaturer under 4.15 K. Den andra är att utnyttja den magnetokaloriska effekten, där vissa material ändrar temperatur under påverkan av ett applicerat magnetfält. Båda dessa tekniker har sina nackdelar: helium är sällsynt och därför dyrt, medan den speciella klassen av föreningar som används för magnetokalorisk kylning (känd som hydratiserade paramagnetiska salter) har låg magnetisk entropidensitet, dålig kemisk stabilitet och låg värmeledningsförmåga. Li hävdar dock att den gigantiska magnetokaloriska effekten i det nyupptäckta spinn-supersolid kan "effektivt övervinna dessa nackdelar" genom att utnyttja kollektiva spin-excitationer vid låga energier.

Letar efter andra spin supersolids

Forskarna försöker nu få ytterligare dynamiska bevis för spinn-supersoliditet i NBCP. För detta ändamål säger Jin att de utför oelastiska neutronspridningsmätningar för att undersöka Goldstone-lägena som är förknippade med spin superfluid-ordningen. De planerar också att genomföra experiment med polariserad neutrondiffraktion för att ytterligare stärka sina resultat.

Slutligen undersöker teamet andra triangulära gitterföreningar i ett försök att identifiera ytterligare spinn-supersolid-tillstånd eller andra exotiska spin-tillstånd. "Genom att göra det hoppas vi att bättre förstå de underliggande fysiska fenomenen som ger upphov till dessa spännande kvantfaser av materia," säger Su.

Deras nuvarande studie är detaljerad i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/