量子计算机候选物质中发现了异国情调状态的证据

三氯化钌晶体结构

三氯化钌的晶体结构图解,显示钌离子和氯离子的简单蜂窝晶格。氯围绕每个钌原子的电子自旋形成的扭曲八面体是彼此的镜像。这种扭转是化合物不寻常行为的关键,这是它可能包含量子自旋液体例子的证据。资料来源:Arkady Shekhter/国家强磁场实验室提供

使用一种新颖的技术,科学家在工作佛罗里达州立大学美国国家强磁场实验室已经发现了量子自旋液体的证据,这是一种物质状态,有望成为未来量子计算机的基石。

研究人员发现了令人兴奋的行为,同时研究了三氯化物中所谓的电子旋转。他们的发现,最近在期刊上发表了自然物理,显示电子自旋在材料之间相互作用,有效地降低了总能量。这种类型的行为——与量子自旋液体一致——在高温和高磁场下在三氯化钌中被检测到。

自旋液体于1973年首次提出理论,至今仍是个谜。尽管一些材料显示出这种物质状态的迹象,但要确定它的存在是极具挑战性的。然而,人们对它们很感兴趣,因为科学家们认为它们可以用于设计各种各样的智能材料,比如量子计算

物理学家Kim Modic说,这项研究为三氯化钌是自旋液体提供了强有力的支持。Kim Modic以前是MagLab脉冲场设施的研究生,现在是奥地利科学技术研究所的助理教授。

“我认为这篇论文为研究三氯化钌提供了一个新的视角,并展示了一种寻找自旋液体特征的新方法,”该论文的主要作者莫迪克说。

几十年来,物理学家们对电子的电荷进行了广泛的研究,为电子学、能源和其他领域的发展铺平了道路。但是电子也有一种叫做自旋的特性。科学家们也想利用电子的自旋特性来开发技术,但是自旋的普遍行为还没有被完全理解。

简单来说,电子可以被认为是在轴上旋转,如顶部,以某个方向定向。在磁性材料中,这些旋转彼此彼此对齐,无论是相同的还是相反的方向。被称为磁性排序,可以通过温度或磁场诱导或抑制这种行为。一旦抑制磁才,就可以出现更多的异乎寻常的物质状态,例如量子旋转液体。

在寻找旋转液体中,研究团队在三氯化钌上归存。其蜂窝状的结构,在每个网站上具有旋转,就像磁性版本一样石墨烯- 凝聚物物理学中的另一个热门话题。

“钌比碳重得多,这导致了自旋之间的强烈相互作用,”MagLab物理学家阿卡迪·谢赫特(Arkady Shekhter)说,他是这篇论文的合著者。

该团队预计这些互动将提高材料磁力挫折。这是一种“三家公司”情景,其中两个旋转对,留下了磁性吊灯的第三个旋转,这会阻止磁性排序。这令人沮丧,球队假设,可能导致旋转液态。他们的数据最终确认了他们的怀疑。

“看起来,在低温和外加磁场下,三氯化钌显示出我们正在寻找的行为迹象,”莫迪克说。“自旋不是简单地根据邻近自旋的排列来确定自己的方向,而是动态的——就像旋转的水分子一样——同时保持它们之间的某种相关性。”

Modic表示,通过一种新的技术,通过称为谐振扭转磁力学的新技术能够精确地测量电子旋转的行为,并可能导致许多关于磁性材料的许多新见解,Sumic表示。

“我们真的没有实用的技术技术或用于研究电子旋转的激励的分析机器,如我们为电荷系统为电荷系统,”莫德奇说。“确实存在的方法通常需要大的样本尺寸,这可能不可用。我们的技术非常敏感,并在微小精致的样品上工作。这可能是这个研究领域的游戏变化器。“

莫迪克在博士后研究时开发了这项技术,然后与MagLab物理学家谢赫特和论文的另一位合著者罗斯·麦克唐纳(Ross McDonald)合作,在高磁场中测量三氯化钌。

他们的技术包括将三氯化钌样品安装在一根头发大小的悬臂上。他们重新使用了一个石英音叉——类似于石英晶体手表的音叉——来在磁场中振动悬臂。他们不是用它来精确地计算时间,而是测量振动频率来研究三氯化钌的自旋与施加的磁场之间的相互作用。他们在国家磁实验室的两个强磁体中进行了测量。

“我们的方法的美妙之处在于它是一个相对简单的设置,这让我们可以在35特斯拉电阻磁铁和65特斯拉脉冲场磁铁中进行测量,”莫迪克说。

研究中的下一步是在Maglab的世界纪录100-Tesla脉冲磁铁中研究该系统。

“那种磁场的高度应该允许我们直接观察旋转液态的抑制,这将有助于我们更多地学习更多关于这种化合物的内部工作的内部工作,”Shekter说。

参考文献:“RuCl中的标度不变磁各向异性3.at high magnetic fields” by K. A. Modic, Ross D. McDonald, J. P. C. Ruff, Maja D. Bachmann, You Lai, Johanna C. Palmstrom, David Graf, Mun K. Chan, F. F. Balakirev, J. B. Betts, G. S. Boebinger, Marcus Schmidt, Michael J. Lawler, D. A. Sokolov, Philip J. W. Moll, B. J. Ramshaw and Arkady Shekhter, 5 October 2020,自然物理
DOI:10.1038 / S41567-020-1028-0

除了莫迪克、谢赫特和麦克唐纳,对这篇论文有贡献的其他科学家还有:斯坦福大学的J. P. C. Ruff;斯坦福大学马克斯普朗克固体化学物理研究所的Maja D. Bachmann;美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)、佛罗里达州立大学(FSU)和康奈尔大学的尤莱(You Lai);斯坦福大学的Johanna C. Palmstrom;国家磁实验室的大卫·格拉夫;陈文敏,F. F. Balakirev和J. B. Betts;佛罗里达州立大学和国家磁实验室的格雷格·博宾格;马克斯·普朗克研究所的马库斯·施密特和德米特里·索科洛夫;康奈尔大学的Michael J. Lawler和Brad Ramshaw;以及马克斯·普朗克研究所和洛桑联邦综合理工学院的菲利普·j·w·莫尔。

该研究发生在全国高磁场实验室,这是世界上最大和最高动力的磁铁设施。位于佛罗里达州立大学,佛罗里达大学以及洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory),跨学科的国家磁实验室(National MagLab)邀请来自世界各地的科学家进行高磁场基础研究,促进我们对材料、能源和生命的理解。该实验室由美国国家科学基金会(DMR-1644779)和佛罗里达州资助。

奥地利科学技术研究所是位于维也纳的国际研究机构,致力于自然和正式科学的前沿研究。

是第一个评论论量子计算机候选物料中发现的异国物质状况的证据“

发表评论

邮箱地址可选。如果提供,您的电子邮件将不会被公布或共享。