Οι ερευνητές του Quantum Science Center έχουν επαληθεύσει την παρουσία συμπεριφοράς υγρού κβαντικού σπιν στο KYbSe2, ένα υλικό δομημένο σε τριγωνικά πλέγματα. Αυτή η ανακάλυψη, που βασίζεται σε μια υπόθεση που χρονολογείται από το 1973, δείχνει σημαντικές δυνατότητες προόδου στον τομέα των κβαντικών υπολογιστών και των υπεραγωγών. Η μελέτη συνδυάζει θεωρητικές και πειραματικές προσεγγίσεις για να επιδείξει βασικά χαρακτηριστικά των υγρών κβαντικής σπιν.
Μια συνεργατική ερευνητική ομάδα επιβεβαίωσε τη συμπεριφορά του υγρού κβαντικού σπιν στο υλικό KYbSe2, επικυρώνοντας μια υπόθεση δεκαετιών. Αυτή η πρόοδος, σημαντική για Το 1973, ο φυσικός Phil Anderson υπέθεσε ότι η υγρή κατάσταση του κβαντικού σπιν, ή QSL, υπήρχε σε ορισμένα τριγωνικά πλέγματα, αλλά του έλειπαν τα εργαλεία για να το διερευνήσει περαιτέρω. Πενήντα χρόνια αργότερα, μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές που σχετίζονται με το Quantum Science Center που εδρεύει στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge του Τμήματος Ενέργειας (ORNL) επιβεβαίωσε την παρουσία συμπεριφοράς QSL σε ένα νέο υλικό που παρουσιάζει αυτή τη δομή, το KYbSe2.
Τα QSL – μια ασυνήθιστη κατάσταση της ύλης που ελέγχεται από αλληλεπιδράσεις μεταξύ εμπλεκόμενων ή εγγενώς συνδεδεμένων μαγνητικών ατόμων που ονομάζονται σπιν – υπερέχουν στη σταθεροποίηση της κβαντομηχανικής δραστηριότητας στο KYbSe2 και σε άλλους δελαφοσίτες. Αυτά τα υλικά εκτιμώνται για τα πολυεπίπεδα τριγωνικά δίκτυά τους και τις πολλά υποσχόμενες ιδιότητες που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην κατασκευή υπεραγωγών υψηλής ποιότητας και εξαρτημάτων κβαντικών υπολογιστών.
Μια απεικόνιση του πλέγματος που εξετάστηκε από τον Phil Anderson στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Αντιπροσωπευόμενο από πράσινες ελλείψεις, ζεύγη κβαντικών σωματιδίων κυμαίνονταν μεταξύ πολλαπλών συνδυασμών για να παράγουν μια υγρή κατάσταση περιστροφής. Πίστωση: Εθνικό Εργαστήριο Allen Scheie/Los Alamos, Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ
Συνεργατικές Ερευνητικές Προσπάθειες
Το έγγραφο, που δημοσιεύτηκε στις 6 Νοεμβρίου στο
«Οι ερευνητές μελέτησαν το τριγωνικό πλέγμα διαφόρων υλικών σε αναζήτηση της συμπεριφοράς QSL», δήλωσε το μέλος του QSC και επικεφαλής συγγραφέας Allen Scheie, επιστήμονας στο Los Alamos. «Ένα από τα πλεονεκτήματά του είναι ότι μπορούμε εύκολα να ανταλλάξουμε άτομα για να αλλάξουμε τις ιδιότητες του υλικού χωρίς να αλλάξουμε τη δομή του, κάτι που το καθιστά μάλλον ιδανικό από επιστημονική άποψη».
Μεθοδολογία και αποτελέσματα
Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό θεωρητικών, πειραματικών και υπολογιστικών τεχνικών, η ομάδα παρατήρησε διάφορα χαρακτηριστικά των QSL: κβαντική εμπλοκή, εξωτικά οιονεί σωματίδια και τη σωστή ισορροπία των αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής, που ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο ένα σπιν επηρεάζει τους γείτονές του. Αν και οι προσπάθειες για τον εντοπισμό αυτών των χαρακτηριστικών έχουν ιστορικά παρεμποδιστεί από τους περιορισμούς των φυσικών πειραμάτων, τα σύγχρονα όργανα σκέδασης νετρονίων μπορούν να παράγουν ακριβείς μετρήσεις πολύπλοκων υλικών σε ατομικό επίπεδο.
Τα δεδομένα από τα πειράματα σκέδασης νετρονίων της ομάδας έδειξαν ισχυρούς συσχετισμούς μεταξύ του KYbSe2 και του προσομοιωμένου φάσματος μιας υγρής κατάστασης κβαντικού σπιν. Πίστωση: Εθνικό Εργαστήριο Allen Scheie/Los Alamos, Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ
Εξετάζοντας τη δυναμική σπιν του KYbSe2 με το ψυχρό φασματόμετρο τεμαχιστή νετρονίων στην Πηγή Νετρονίων Spallation του ORNL – μια εγκατάσταση χρήστη του DOE Office of Science – και συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με αξιόπιστα θεωρητικά μοντέλα, οι ερευνητές βρήκαν στοιχεία ότι το υλικό ήταν κοντά στο κβαντικό κρίσιμο σημείο στο οποίο ευδοκιμούν τα χαρακτηριστικά QSL. Στη συνέχεια ανέλυσαν τη μαγνητική του κατάσταση ενός ιόντος με το φασματόμετρο κοπής ευρείας γωνίας SNS.
Χαρακτηριστικά υγρού Quantum Spin και μελλοντικές κατευθύνσεις
Οι εν λόγω μάρτυρες είναι πληροφορίες μονής εμπλοκής, διπλής εμπλοκής και κβαντικής Fisher, οι οποίες έπαιξαν βασικό ρόλο σε προηγούμενη έρευνα του QSC που επικεντρώθηκε στην εξέταση μιας χορδής περιστροφής 1D ή μιας μονής γραμμής περιστροφής σε ένα υλικό. Το KYbSe2 είναι ένα σύστημα 2D, μια ποιότητα που έχει κάνει αυτές τις προσπάθειες πιο περίπλοκες.
«Ακολουθούμε μια προσέγγιση συν-σχεδιασμού, ενσωματωμένη στο QSC», δήλωσε ο Alan Tennant, καθηγητής φυσικής, επιστήμης υλικών και μηχανικής στο UTK, ο οποίος ηγείται ενός έργου κβαντικών μαγνητών για το QSC. «Οι θεωρητικοί στο κέντρο υπολογίζουν πράγματα που δεν ήταν σε θέση να υπολογίσουν πριν, και αυτή η επικάλυψη μεταξύ θεωρίας και πειράματος επέτρεψε αυτή την ανακάλυψη στην έρευνα QSL».
Επιπτώσεις για την κβαντική επιστήμη και τεχνολογία
Αυτή η μελέτη ευθυγραμμίζεται με τις προτεραιότητες του QSC, οι οποίες περιλαμβάνουν τη σύνδεση θεμελιωδών ερευνών με την κβαντική ηλεκτρονική, τους κβαντικούς μαγνήτες και άλλες τρέχουσες και μελλοντικές κβαντικές συσκευές.
«Η καλύτερη κατανόηση των QSL είναι πολύ σημαντική για την ανάπτυξη τεχνολογιών επόμενης γενιάς», είπε ο Tennant. «Αυτή η περιοχή βρίσκεται ακόμα στο στάδιο της βασικής έρευνας, αλλά μπορούμε πλέον να εντοπίσουμε υλικά που μπορούμε να τροποποιήσουμε για να κατασκευάσουμε δυνητικά συσκευές μικρής κλίμακας από την αρχή».
Αν και το KYbSe2 δεν είναι αληθινό QSL, το γεγονός ότι περίπου το 85% του μαγνητισμού παρουσιάζει διακυμάνσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες σημαίνει ότι έχει τη δυνατότητα να γίνει ένα. Οι ερευνητές προβλέπουν ότι μικρές αλλαγές στη δομή του ή η έκθεση σε εξωτερική πίεση θα μπορούσαν ενδεχομένως να το βοηθήσουν να φτάσει στο 100%.
Οι πειραματιστές της QSC και οι επιστήμονες υπολογιστών σχεδιάζουν παράλληλες μελέτες και προσομοιώσεις που επικεντρώνονται σε υλικά δελαφοσίτου, αλλά τα ευρήματα των ερευνητών έχουν δημιουργήσει ένα πρωτόκολλο άνευ προηγουμένου που μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στη μελέτη άλλων συστημάτων. Με τον εξορθολογισμό των αξιολογήσεων που βασίζονται σε στοιχεία των υποψηφίων QSL, στοχεύουν στην επιτάχυνση της αναζήτησης γνήσιων QSL.
«Το σημαντικό με αυτό το υλικό είναι ότι βρήκαμε έναν τρόπο να προσανατολιστούμε στον χάρτη και να δείξουμε τι κάναμε καλά», είπε ο Scheie. “Είμαστε σχεδόν σίγουροι ότι υπάρχει ένα πλήρες QSL κάπου σε αυτόν τον χημικό χώρο και τώρα ξέρουμε πώς να το βρούμε.”
Αναφορά: «Near spin liquid and fractionation in the triangular antiferromagnet KYbSe2» από τους AO Scheie, EA Ghioldi, J. Xing, JAM Paddison, NE Sherman, M. Dupont, LD Sanjeewa, Sangyun Lee, AJ Woods, D. Abernathy, DM , TJ Williams, Shang-Shun Zhang, LO Manuel, AE Trumper, CD Pemmaraju, AS Sefat, DS Parker, TP Devereaux, R. Movshovich, JE Moore, CD Batista και DA Tennant, 6 Νοεμβρίου 2023, Φυσική φυσική.
DOI: 10.1038/s41567-023-02259-1
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το DOE, το QSC, το National Science and Engineering Research Council και το Simons Foundation.
Το QSC, ένα Εθνικό Ερευνητικό Κέντρο Κβαντικών Επιστημών Πληροφορικής του DOE με επικεφαλής τον ORNL, διεξάγει έρευνα αιχμής σε εθνικά εργαστήρια, πανεπιστήμια και βιομηχανικούς εταίρους για να αντιμετωπίσει βασικά εμπόδια στην ανθεκτικότητα, τη δυνατότητα ελέγχου και, τελικά, την επεκτασιμότητα των κβαντικών τεχνολογιών. Οι ερευνητές του QSC σχεδιάζουν υλικά που επιτρέπουν τον τοπολογικό κβαντικό υπολογισμό. Εφαρμογή νέων κβαντικών αισθητήρων για τον χαρακτηρισμό τοπολογικών καταστάσεων και την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης. και να σχεδιάσει κβαντικούς αλγόριθμους και προσομοιώσεις για να καταστεί δυνατή η καλύτερη κατανόηση των κβαντικών υλικών, της χημείας και των θεωριών κβαντικών πεδίων. Αυτές οι καινοτομίες επιτρέπουν στην QSC να επιταχύνει την επεξεργασία πληροφοριών, να εξερευνά ό,τι ήταν προηγουμένως μη μετρήσιμο και να προβλέψει καλύτερα την κβαντική απόδοση των τεχνολογιών.