Magnetic Quantum Material amplía la plataforma de exploración de tecnología de la información de próxima generación

La dispersión de neutrones mostró correlaciones de espín para el tricloruro de hierro. El dibujo de un artista interpreta la dispersión que proporciona evidencia de un estado líquido en espiral giratorio. Crédito: Jacquelyn DeMink/ORNL

Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge utilizaron la dispersión de neutrones para determinar si la estructura atómica de una sustancia en particular podría albergar un nuevo estado de la materia llamado fluido de espín helicoidal. Al rastrear los pequeños momentos magnéticos conocidos como «giros» en la red de panal de un imán de tricloruro férrico, el equipo encontró el primer sistema bidimensional que alberga un fluido en espiral giratorio.

Este descubrimiento proporciona una base de prueba para futuros estudios de fenómenos físicos que pueden impulsar las tecnologías de la información de próxima generación. Estos incluyen fracciones o vibraciones cuánticas colectivas que pueden resultar prometedoras en la computación cuántica, el cielo o nuevos materiales magnéticos que podrían mejorar el almacenamiento de datos de alta densidad.

Shang Gao de ORNL, quien dirigió el estudio publicado en, dijo: mensajes de revisión física.

Una teoría de larga data ha predicho que la red de panal podría albergar un fluido helicoidal, una nueva fase de la materia en la que los husos forman estructuras fluctuantes similares a hélices.

Sin embargo, hasta este estudio, faltaba evidencia experimental para esta etapa en un sistema bidimensional. El sistema bidimensional incluye un material cristalino en capas en el que las interacciones son más fuertes en el plano que en la dirección de apilamiento.

Gao identificó al tricloruro de hierro como una plataforma prometedora para probar la teoría, que se propuso hace más de una década. Él y el coautor Andrew Christianson de ORNL contactaron a Michael McGuire, también de ORNL, quien ha trabajado extensamente en el cultivo y estudio de materiales 2D, y le preguntaron si sintetizaría y caracterizaría una muestra de tricloruro de hierro para neutrón mediciones de difracción. Al igual que las capas de grafeno 2D presentes en el grafito a granel como redes de panal de carbono puro, las capas de hierro 2D en tricloruro de hierro a granel como capas de panal 2D. «Informes anteriores han indicado que el intrigante material del panal puede exhibir un comportamiento magnético complejo a bajas temperaturas», dijo McGuire.

Cada capa de hierro tiene forma de colmena átomos de cloro arriba y abajo, haciendo paneles de cloro, hierro y cloro”, dijo McGuire. Los átomos de cloro en la parte superior de una placa interactúan muy débilmente con los átomos de cloro en la parte inferior de la siguiente placa a través del enlace de van der Waals. Esta unión deficiente hace que materiales como este sean fáciles de despegar en capas muy finas, a menudo en una sola hoja. Esto es útil para desarrollar dispositivos y comprender la evolución de la física cuántica de tres dimensiones a dos dimensiones».

En los materiales cuánticos, los espines de los electrones pueden comportarse tanto de forma colectiva como extraña. Si mueves un ciclo, todos interactúan, un estado entrelazado que Einstein llamó «acción espeluznante a distancia». El sistema permanece en un estado de frustración, un fluido que mantiene el caos porque el electrón cambia constantemente de dirección, obligando a los otros electrones enredados a oscilar en respuesta a la respuesta.

los Primeros estudios de difracción de neutrones de cristales de cloruro férrico se realizaron en ORNL hace 60 años. Hoy en día, la amplia experiencia de ORNL en síntesis de materiales, imágenes, dispersión de neutronesla teoría, la simulación y la computación permiten exploraciones innovadoras de materiales cuánticos magnéticos que impulsan el desarrollo de tecnologías de próxima generación para Seguridad de información y almacenamiento

El mapeo de los movimientos de giro en un fluido de giro helicoidal es posible gracias a los expertos y las herramientas de la fuente de neutrones de espalación y el reactor de isótopos de alto flujo, y las instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Los coautores de ORNL fueron esenciales para el éxito de los experimentos de dispersión de neutrones: Clarina Della Cruz, quien dirigió los experimentos con un difractómetro de polvo HFIR; Yaohua Liu, quien dirigió los experimentos utilizando el espectrómetro CORELLI de SNS; Matthias Frunzik, quien dirigió los experimentos usando WAND de HFIR2 difractómetro. Matthew Stone, quien dirigió experimentos para operar el espectrómetro SEQUOIA de SNS; y Douglas Abernathy, quien dirigió las pruebas de trabajo del espectrómetro ARCS de SNS.

«Los datos de dispersión de neutrones de nuestras mediciones en el SNS y HFIR proporcionaron evidencia convincente de la existencia de una fase líquida quiral», dijo Gao.

Los experimentos de dispersión de neutrones midieron cómo los neutrones intercambian energía y momento con la muestra, lo que permite que la propiedades magnéticas «Se puede inferir», dijo el coautor Matthew Stone, al describir la estructura magnética de un fluido en espiral helicoidal: «Parece un mapa topográfico de un grupo de montañas con un montón de anillos apuntando hacia afuera. Si tuvieras que caminar un bucle, todos los ciclos apuntarían en la misma dirección. Pero si caminas y pasas por diferentes bucles, verás que esos ciclos giran alrededor de sus ejes. Esa es la hélice».

“Nuestro estudio muestra que el concepto de espiral El coautor Andrew Christianson dijo que el fluido de giro es aplicable a una amplia clase de materiales de malla de panal. Como Estadísticas Cuantitativas. «

El título del artículo es «Líquido de espín en espiral en una celosía de nido de abeja».


Investigador usa HFIR para explorar el misterioso mundo del espín cuántico


más información:
Shang Gao et al, Líquido giratorio en espiral en rejilla de nido de abeja, mensajes de revisión física (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.227201

La frase: Magnetic Quantum Material Expands Next-Generation Information Technology Research Platform (27 de julio de 2022) Consultado el 27 de julio de 2022 en https://phys.org/news/2022-07-magnetic-quantum-material-broadens-platform.html

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