逆行的超导性和量子计算突破:使用压力使液磁

电子旋流令人沮丧


艺术家的电子旋转令人沮丧,因为磁性材料的样品被加压成旋转液态。信用:Daniel Haskel

使用两个平顶钻石和大量压力,科学家们将磁性晶体迫使旋转液态,这可能导致高温超导和洞察力量子计算

这听起来像一个谜语:如果你拿两个小钻石,在它们之间放一个小磁晶体,然后慢慢地把它们挤在一起,你会得到什么?

答案是一种磁性液体,这似乎有悖常理。液体在压力下变成固体,但一般情况下不会反过来变成固体。但这一不寻常的关键发现,由美国能源部阿贡国家实验室的高级光子源(APS)科学用户办公室的一组研究人员公布,可能为科学家提供高温超导和量子计算的新见解。

虽然科学家和工程师已经使用了超导材料数十年来,但是高温超导体导电而不电阻的确切过程仍然是量子机械谜团。超导体的Telltale迹象是抗抵抗力和磁性损失的损失。高温超导体可以在高于液氮的温度下操作(-320度)华氏温度),使它们对电网的无损传输线和能源部门的其他应用具有吸引力。

但没有人真正知道高温超导体是如何达到这种状态的。要想将这些材料的工作温度提高到与环境温度相当的水平,就必须掌握这一知识,这是在节电电网中全面应用超导体所必需的。

“量子自旋液体是自旋状态的叠加,波动但纠缠在一起。公平地说,这个过程,如果能创造出具有量子叠加的量子自旋液体,将会制造出量子比特,量子计算机的基本构件。”— Daniel Haskel, physicist and group leader, XSD

1987年,已故的理论家菲尔·安德森提出了一个观点普林斯顿大学涉及将材料置于量子旋转液态,Anderson提出的是高温超导性。键是每个材料原子中的电子的旋转,这在某些条件下可以被迫进入它们变得“沮丧”并且无法将自己安排成有序模式。

为了减轻这种挫折,电子自旋方向随着时间的推移而波动,仅与相邻的旋转保持一段时间,就像液体一样。这可能有助于高温超导性所需的电子对形成。

丹尼尔·哈斯克尔(Daniel Haskel)说,压力提供了一种“调节”电子自旋分离的方法,并驱动磁铁进入一种沮丧状态,在这种状态下,磁性在一定的压力下消失,而自旋液体就会出现。阿贡x射线科学部(XSD)的物理学家和小组负责人,他带领一个研究小组在美国物理学会进行了一系列的实验来达到这个目的。这个团队包括Argonne的助理物理学家Gilberto Fabbris和物理学家Jong-Woo Kim和Jung Ho Kim,他们都来自XSD。

哈斯克尔小心翼翼地说,他的团队的结果,最近发表在物理评论信,不确定地证明旋转液态的量子性质,其中原子旋转甚至会继续移动绝对零度温度 - 需要更多的实验来确认。

但他们确实表明,通过施加缓慢而稳定的压力,一些磁性材料可以被推入一种类似于液体的状态,在这种状态下,电子自旋变得无序,磁性消失,而保留了具有电子自旋的原子的晶体排列。研究人员确信他们已经创造出了一种自旋液体,其中的电子自旋是无序的,但不确定这些自旋是否为纠缠态,这将是量子自旋液体的标志。

哈斯克尔说,如果这是一种量子自旋液体,那么用这种方法创造量子自旋液体的能力将具有广泛的意义。

哈斯克尔说:“某些类型的量子自旋液体可以实现无错误的量子计算。”“量子自旋液体是自旋状态的叠加,波动但纠缠在一起。公平地说,这个过程,如果能创造出具有量子叠加的量子自旋液体,将会制造出量子比特,量子计算机的基本构件。”

那么这个团队做了什么,他们是怎么做的呢?这又把我们带回到钻石,这是APS独特实验装置的一部分。研究人员使用了两个钻石铁砧,切割方式与你在珠宝店看到的类似,底座宽,边缘窄而平。他们将较小的平面边缘放置在一起,插入磁性材料(在这种情况下是一个锶铱材料样品)合金)它们之间,并推动。

“这个想法是,在你加压它时,它将原子更靠近在一起,”Fabbris说。“既然我们可以慢慢地做到这一点,我们可以不断这样做,我们可以衡量样品的性质,因为我们压力增加。”

当Fabbris慢慢地施加压力时,他不是开玩笑 - 他说,每一个实验都花了大约一周,他说,使用直径约100微米的样品,或围绕薄纸的宽度。由于研究人员不知道压力磁力将消失,因此他们必须仔细测量每个略微增加。

他们确实看到了它的消失,大约200吉帕——相当于20万个大气压,大约是地球上最深的海沟——太平洋马里亚纳海沟底部压力的200倍。电子的自旋在短距离内仍保持相关,就像液体一样,但即使在低至1.5开尔文(零下457华氏度)的温度下仍保持无序状态。

诀窍,Haskel说,创建一个自旋液体状态的关键,是保持晶体原子排列的秩序和对称,因为随机无序的原子位置的不必要的影响将会导致一个不同的磁状态,没有自旋液体状态的独特性能。哈斯克尔把电子的自旋比作城市街区的邻居——当它们越来越近时,它们都想让对方开心,改变它们的自旋方向来匹配邻居。我们的目标是让他们靠得太近,以至于他们不可能让所有的邻居都满意,从而“挫败”他们的旋转相互作用,同时仍然保持城市街区的结构。

研究小组使用了APS的强x射线成像能力来测量样品的磁性,根据Haskel和Fabbris的说法,APS是美国唯一可以进行这种实验的设备。Fabbris特别指出,专注于一种类型的能力原子这一点至关重要。

Fabbris说:“这些样品非常小,如果你在大学实验室用其他技术来测量磁性,你就会从钻石砧室的组件中获得磁性信号。”“如果没有像APS这样的光源,我们所做的测量是不可能的。它有独特的能力做到这一点。”

现在团队已经实现了自旋液体状态,下一步是什么?量子自旋液体是否已经被创造出来还需要更多的实验。未来的实验将包括探索自旋动力学的本质,以及在自旋液态中更直接的相互关系。但Haskel说,最近的结果为实现这些难以捉摸的量子态提供了一条途径,这可能会带来超导和量子信息科学的新见解。

哈斯克尔还指出,APS升级是一个大型项目,将看到仪器的亮度增加到1000倍。他说,这将允许对这些迷人的物质状态进行更深入的研究。

他说:“让人惊讶的量子力学效应等着被发现,这取决于任何人的想象。”

参考:“压缩Sr中可能存在的量子顺磁性。2——4作者:D. Haskel, G. Fabbris, J. H。金,l.s. I。j·r·L·维加Mardegan, c。Escanhoela, Jr., S. Chikara, V. Struzhkin, T. Senthil, B. J。Kim, G. Cao, j.w。金,2020年2月11日,物理评论信
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.067201

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