Các vật liệu tiên tiến với đặc tính mới luôn được phát triển bằng cách thêm nhiều vật phẩm vào danh sách thành phần. Nhưng nghiên cứu lượng tử chỉ ra rằng một số vật liệu đơn giản hơn thực sự có thể có những đặc tính tiên tiến mà các nhà khoa học chưa thể thấy được.

Các nhà nghiên cứu từ Georgia Tech và Đại học Tennessee Knoxville đã phát hiện ra một hành vi lượng tử ẩn và bất ngờ trong một vật liệu sắt iốt (FeI) khá đơn giản.₂Nó được phát hiện cách đây gần một thế kỷ. Nghiên cứu mới hiểu sâu hơn về hành vi của vật liệu đã được kích hoạt bằng cách sử dụng kết hợp các thí nghiệm tán xạ neutron và tính toán vật lý lý thuyết tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (DOE) (ORNL) của DOE.

Kết quả của nhóm – được công bố trên tạp chí Vật lý tự nhiênGiải một câu đố 40 tuổi về hành vi bí ẩn của vật chất và có thể được sử dụng làm bản đồ để mở khóa kho tàng các hiện tượng lượng tử trong các vật liệu khác.

Xiao Jianbai, tác giả đầu tiên của tờ báo cho biết: “Khám phá của chúng tôi một phần lớn là do sự tò mò. Bay nhận bằng Tiến sĩ. Tại Georgia Tech và làm việc như một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại ORNL, nơi ông sử dụng neutron để nghiên cứu Vật liệu từ tính. “Tôi đã tìm thấy vật liệu sắt iodua này vào năm 2019 trong khuôn khổ dự án luận án Tiến sĩ của mình. Tôi đang cố gắng tìm kiếm các hợp chất có sắp xếp mạng tinh thể từ tam giác thể hiện cái gọi là“ từ tính bị cản trở ”.

Trong các nam châm thông thường, chẳng hạn như nam châm tủ lạnh, các electron của vật liệu được sắp xếp thành một đường giống như mũi tên, tất cả đều hướng theo cùng một hướng – lên hoặc xuống – hoặc luân phiên giữa lên và xuống. Các hướng mà các electron hướng tới được gọi là “spin”. Nhưng trong các vật liệu phức tạp hơn như sắt iotua, các điện tử được sắp xếp trong một mạng lưới tam giác, nơi lực từ giao thoa giữa ba mômen từ và không chắc chắn về hướng nào – do đó, “từ tính thất vọng”.

Bay cho biết: “Khi tôi đang đọc tất cả các tài liệu, tôi nhận thấy hợp chất này, sắt iodua, được phát hiện vào năm 1929 và được nghiên cứu khá rộng rãi trong những năm 1970 và 1980. “Vào thời điểm đó, họ nhìn thấy một số đặc điểm hoặc kiểu hành vi khác thường, nhưng họ không thực sự có đủ nguồn lực để hiểu đầy đủ lý do tại sao họ nhìn thấy nó. Vì vậy, chúng tôi biết rằng điều gì đó kỳ lạ và thú vị chưa được giải đáp, và so sánh nó với bốn mươi năm trước đây, chúng tôi đã có các công cụ. Hiện có nhiều thí nghiệm hiệu quả hơn, vì vậy chúng tôi quyết định xem xét lại vấn đề này và hy vọng sẽ trình bày một số ý tưởng mới. ”

Vật liệu lượng tử thường được mô tả như những hệ thống thể hiện hành vi kỳ lạ và phá vỡ các định luật vật lý cổ điển – giống như một chất rắn hoạt động như chất lỏng, với các hạt chuyển động như nước và từ chối đóng băng hoặc dừng chuyển động ngay cả ở nhiệt độ đóng băng. Hiểu được cách thức hoạt động của những hiện tượng kỳ lạ này, hoặc cơ chế cơ bản của chúng, là chìa khóa để phát triển điện tử và phát triển các công nghệ thế hệ tiếp theo khác.

Martin Moregal nói, “Trong vật liệu lượng tử, có hai điều quan trọng: các pha của vật chất như chất lỏng, chất rắn và chất khí, và sự kích thích của các pha đó, chẳng hạn như sóng âm. Tương tự, sóng spin là sự kích thích của một chất rắn từ tính, ”Giáo sư Vật lý tại Viện Công nghệ Georgia cho biết. Trong một thời gian dài, nhiệm vụ của chúng tôi trong vật liệu lượng tử là tìm ra các pha lạ, nhưng câu hỏi mà chúng tôi tự hỏi trong nghiên cứu này là, “Bản thân pha có vẻ không lạ, nhưng nếu nó bị kích thích thì sao? “Và đây là những gì chúng tôi đã tìm thấy.”

Nơtron là cảm biến lý tưởng để nghiên cứu từ tính vì chúng hoạt động như các vi nam châm và có thể được sử dụng để tương tác với các hạt từ tính khác và tạo ra kích thích mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc nguyên tử của vật chất.

Bay làm quen với neutron khi còn là nghiên cứu sinh tại Mourigal tại Georgia Tech. Mourigal là người thường xuyên sử dụng sự tán xạ neutron trong Lò phản ứng đồng vị thông lượng cao (HFIR) và Nguồn neutron Spallation (SNS) của ORNL trong vài năm, sử dụng các cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng để nghiên cứu một loạt các vật liệu lượng tử và của chúng các hành vi khác nhau và đặc biệt.

Khi Bay và Morigal cho sắt iotua tiếp xúc với một chùm neutron, họ mong đợi sẽ thấy một kích thích nhất định hoặc một dải năng lượng liên quan đến mômen từ của một electron; Thay vào đó, họ không thấy hai dao động lượng tử khác nhau xuất hiện đồng thời.

Bay nói: “Các neutron cho phép chúng tôi nhìn thấy dao động tinh tế này rất rõ ràng.” Chúng tôi có thể đo toàn bộ quang phổ của kích thích, nhưng chúng tôi vẫn không hiểu tại sao chúng tôi lại thấy những hành vi bất thường như vậy trong một giai đoạn có vẻ cổ điển.

Để có câu trả lời, họ chuyển sang nhà vật lý lý thuyết Christian Batista, Giáo sư Lincoln tại Đại học Tennessee-Knoxville và Phó giám đốc Trung tâm Scholl Wulan của ORNL – một viện liên hợp về khoa học neutron cung cấp cho các nhà nghiên cứu tham quan nguồn bổ sung và kiến ​​thức chuyên môn về tán xạ neutron.

Với sự giúp đỡ của Batista và nhóm của anh ấy, nhóm đã có thể phát triển một mô hình toán học về hành vi dao động lượng tử bí ẩn và sau khi thực hiện các thí nghiệm neutron bổ sung bằng cách sử dụng các công cụ CORELLI và SEQUOIA trong SNS, họ có thể xác định cơ chế gây ra điều này xảy ra. Trình diễn.

“Những gì lý thuyết dự đoán và những gì chúng tôi có thể xác nhận bằng cách sử dụng neutron, là sự dao động kỳ lạ này xảy ra khi hướng quay bị đảo ngược giữa hai electron. Mômen từ tính “Nghiêng về hai hướng ngược nhau,” Batista nói. Khi neutron tương tác với spin của electron, các spin sẽ quay đồng bộ dọc theo một hướng xác định trong không gian. Vũ đạo này là kết quả của sự tán xạ của neutron tạo ra một sóng spin. ”

Ông giải thích rằng trong các vật liệu khác nhau, các khóa học điện tử có thể theo nhiều hướng và biên đạo khác nhau tạo ra các loại Sóng quay. Trong cơ học lượng tử, khái niệm này được gọi là “lưỡng tính sóng-hạt”, theo đó các sóng mới được coi là hạt mới và thường ẩn khỏi sự tán xạ của neutron trong điều kiện bình thường.

“Theo một nghĩa nào đó, chúng tôi đang tìm kiếm các hạt tối,” Batista nói thêm. “Chúng ta không thể nhìn thấy chúng, nhưng chúng ta biết chúng ở đó bởi vì chúng ta có thể thấy tác dụng của chúng, hoặc tương tác của chúng với các hạt mà chúng ta có thể nhìn thấy.”

Bay nói, “Trong cơ học lượng tử, không có sự phân biệt giữa sóng và hạt. Chúng tôi hiểu hành vi của một hạt dựa trên bước sóng của nó, và đây là những gì neutron cho phép chúng tôi đo lường.”

Moregal đã ví cách neutron phát hiện ra các hạt với sóng khúc xạ xung quanh các tảng đá trên bề mặt đại dương.

Moregal nói: “Trong vùng nước tù đọng, chúng ta không thể nhìn thấy đá dưới đáy đại dương cho đến khi sóng di chuyển qua chúng. Chỉ bằng cách tạo ra càng nhiều sóng với neutron càng tốt, thông qua lý thuyết của Christian, Xiaojian mới có thể xác định được các loại đá, hay trong trường hợp này là các tương tác tạo nên những dao động tinh vi.

Khai thác hành vi từ lượng tử đã dẫn đến những tiến bộ công nghệ như máy chụp ảnh cộng hưởng từ và ổ cứng lưu trữ từ tính đã kích thích tính toán cá nhân. Các vật liệu lượng tử kỳ lạ hơn có thể thúc đẩy làn sóng công nghệ tiếp theo.

Ngoài Bai, Moregal và Batista, các tác giả của bài báo còn có Shang-Shun Zhang, Chilling Dunn, Hao Zhang, Cheng Huang, Haidong Zuo, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov và Feng Yi.

Kể từ khi phát hiện ra, nhóm đã sử dụng những hiểu biết sâu sắc đó để phát triển và kiểm tra các dự đoán trong một bộ tài liệu rộng hơn mà họ mong đợi sẽ mang lại kết quả hứa hẹn nhất.

“Khi chúng tôi đưa nhiều thành phần hơn vào một chất, chúng tôi cũng làm tăng các vấn đề tiềm ẩn như sự lộn xộn và không đồng nhất. Nếu chúng tôi thực sự muốn hiểu và tạo ra các hệ thống cơ lượng tử dựa trên vật liệu sạch, thì việc quay lại các hệ thống đơn giản này có thể quan trọng hơn chúng tôi nghĩ, ”Moregal nói.

Bai cho biết: “Điều này giải được câu đố của người đàn ông 40 tuổi về sự phấn khích bí ẩn của sắt iodua. “Hôm nay chúng tôi có lợi thế khi phát triển quy mô Nơtron Các tiện nghi như SNS về cơ bản cho phép chúng ta thăm dò không gian đầy đủ năng lượng và động lượng của vật chất để xem điều gì đang xảy ra với những kích thích kỳ lạ này.

“Bây giờ chúng tôi đã hiểu cách thức hoạt động của hành vi đặc biệt này trong một vấn đề tương đối đơn giản, chúng tôi có thể tưởng tượng những gì chúng tôi có thể tìm thấy trong các vật liệu phức tạp hơn. Chúng tôi đã kích thích sự hiểu biết mới này và hy vọng nó sẽ kích thích cộng đồng khoa học nghiên cứu thêm về những loại vật liệu này mà chắc chắn sẽ dẫn đến vật lý. Thú vị hơn. ”