Вчені відкрили нову спінову фазу у квантових матеріалах

У квантових магнітних матеріалах під впливом магнітних полів можуть виникати нові стани порядку. Зараз міжнародна команда отримала нове розуміння цих особливих станів матерії завдяки експериментам на берлінському джерелі нейтронів BER II і його високопольному магніті. BER II служив науці до кінця 2019 року і з того часу був закритий. Результати даних BER II ще публікуються.

«Ми проводили вимірювання в листопаді 2019 року, наш експеримент був одним з останніх, проведених на магніті високого поля в BER», — зазначає доктор Еллен Фог. Фізик очолює групу в лабораторії квантового магнетизму Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) і тепер опублікував інтригуючі нові ідеї щодо квантових матеріалів, отримані у співпраці з колегами з Японії, Катару та Швейцарії.

«Багато ефектів у матерії стають видимими лише за екстремальних умов, тобто при температурах, близьких до нуля Кельвіна, і магнітних полях вище 20 Тесла», — каже вона. Ідеальним місцем для вивчення цих ефектів було джерело нейтронів BER II, де команда HZB встановила унікальний магніт високого поля, що досягає майже 26 Тесла.

Проблеми в інтерпретації даних

«Оцінка зайняла багато часу, — каже вона. Це пов’язано з тим, що дані про розсіювання нейтронів не дають автоматично картини, але їх потрібно інтерпретувати. Для цього потрібні переконливі теоретичні моделі. «Ми зіграли в настільний теніс із командою теоретиків, але тепер у нас є дуже цікаві результати».

Фог і команда проаналізували зразки SrCu₂ (BO₃)₂ — модель системи для ідеальної фрустрації у двовимірній (2D) спіновій системі. Він складається з пар спінів, які ортогонально розташовані на квадратній решітці та по-різному впливають один на одного. Ця «ідеально розчарована» геометрія призводить до багатьох нетрадиційних ефектів, які описуються в термінах заплутаних квантових станів та їх збуджень (магнонів). Магнітний порядок у таких матеріалах зазвичай описується як конденсація Бозе-Ейнштейна (BEC) магнонів.

«Ми хотіли з’ясувати, чи цей магнонний BEC також зустрічається в нашій модельній системі при сильних магнітних полях, чи існує альтернативний механізм», — говорить Фог. Експеримент з розсіювання нейтронів на високопольному магніті BER II ідеально підходив для цієї мети: «Ми змогли виміряти спінові збудження SrCu₂ (BO₃)₂ до 25,9 Тл і відтворити експериментальні спектри з високою точністю, використовуючи теоретичні моделі». Експерименти проводилися при тиску навколишнього середовища і температурах, близьких до абсолютного нуля , при 200 мілікельвінів.

Аналіз та інтерпретація даних вимірювань показує, що під цими надзвичайно сильними магнітними полями утворюється спін-нематична фаза. Замість одиночних магнонів це зв’язані пари магнонів, які конденсуються в цій фазі. Існує навіть аналогія з надпровідністю, яка свідчить про те, що спін-нематичну фазу в SrCu₂ (BO₃)₂ найкраще розуміти як конденсат бозонних куперівських пар.

Результати показують, що експерименти з розсіювання нейтронів у надзвичайно сильних магнітних полях можна використовувати для дослідження раніше невідомих областей матерії, зокрема корельованих фаз систем багатьох тіл. «В умовах сильного розчарування та контрольованих крайнощів все ще можна знайти багато нових станів і порядків», — підсумовує Фог.