באמצעות ניסויים במקור הנייטרונים BER II ובמגנט השדה הגבוה שלו, חוקרים גילו מצבים קוונטיים חדשים בחומר SrCu2(BO3)2 תחת שדות מגנטיים קיצוניים. בזיהוי שלב ספין-נמטי הדומה לעיבוי של זוגות קופר בוזוני, מחקר זה מדגיש את התועלת של פיזור נויטרונים בחקר היבטים לא ידועים של חומרים קוונטיים, ומציע תובנות לגבי מערכות מורכבות של הרבה גוף בתנאים של תסכול חזק. קרדיט: twoday.co.il.com
מצבי סדר חדשים יכולים להיווצר בחומרים מגנטיים קוונטיים תחת שדות מגנטיים. צוות בינלאומי השיג כעת תובנות חדשות לגבי המצבים המיוחדים הללו של החומר באמצעות ניסויים במקור הנייטרונים של ברלין BER II והמגנט הגבוה שלו. BER II שירת את המדע עד סוף 2019 ומאז נסגר. תוצאות מנתונים ב-BER II עדיין מתפרסמות.
"מדדנו בנובמבר 2019, הניסוי שלנו היה אחד האחרונים שבוצעו במגנט השדה הגבוה ב-BER", מציינת ד"ר אלן פוג. הפיזיקאי מוביל צוות במעבדה למגנטיות קוונטית ב-Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) וכעת פרסם תובנות חדשות ומסקרנות בחומרים קוונטיים שהושגו בשיתוף פעולה עם עמיתים מיפן, קטאר ושוויץ.
"השפעות רבות בחומר נראות לעין רק בתנאים קיצוניים, כלומר טמפרטורות קרובות לאפס קלווין ושדות מגנטיים מעל 20 טסלה", היא אומרת. המקום המושלם לבחון את ההשפעות הללו היה במקור הנייטרונים BER II, שם צוות HZB הקים מגנט ייחודי לשדה גבוה, שמגיע עד לכמעט 26 טסלות.
איור סכמטי של סריג ספין דו מימדי עם כיוון אורתוגונלי של זוגות ספין. זוג מגנונים קשורים מיוצגים על ידי הגלגלים האדומים/כחולים והירוקים. קרדיט: EPFL
אתגרים בפרשנות נתונים
"ההערכה לקחה הרבה זמן", היא אומרת. הסיבה לכך היא שנתוני פיזור הנייטרונים אינם מספקים תמונה אוטומטית, אלא יש לפרש אותם. זה דורש מודלים תיאורטיים משכנעים. "שיחקנו משחק פינג-פונג עם צוות של תיאורטיקנים, אבל עכשיו יש לנו כמה תוצאות מאוד מעניינות".
Fogh והצוות ניתחו דגימות של SrCu2(בו3)2 – מערכת מודל לתסכול אידיאלי במערכת ספין דו מימדית (2D). הוא מורכב מזוגות ספינים המסודרים אורתוגונלית על סריג מרובע ומשפיעים זה על זה בדרכים שונות. גיאומטריה "מתוסכלת באופן אידיאלי" זו מובילה להשפעות לא קונבנציונליות רבות, המתוארות במונחים של מצבים קוונטיים סבוכים והעירורים שלהם (מגנונים). סדר מגנטי בחומרים כאלה מתואר בדרך כלל כעיבוי Bose-Einstein (BEC) של מגנונים.
פיזיקאים מול מגנט השדה הגבוה ב-BER II במהלך אחת המדידות האחרונות. חלק מחברי הצוות לא תרמו למאמר זה (לחץ סביבתי) אלא לפרסום הבא על התנהגות מערכת המודל בלחץ גבוה. שמות משמאל לימין: Koji Munakata, Kazuhisa Kakurai, Gaétan Giriat, Luc Testa, Jana Pásztorová, Ellen Fogh and Henrik M. Rønnow. קרדיט: EPFL/HZB
"רצינו לברר אם המגנון BEC הזה מתרחש גם במערכת המודלים שלנו בשדות מגנטיים גבוהים, או שיש מנגנון חלופי", אומר פוג. ניסוי פיזור הנייטרונים במגנט השדה הגבוה של BER II התאים באופן אידיאלי למטרה זו: "הצלחנו למדוד עירורי ספין של SrCu2(בו3)2 עד 25.9 T ולשחזר את ספקטרום הניסוי עם גבוה דיוק תוך שימוש במודלים תיאורטיים." הניסויים התקיימו בלחץ הסביבה ובטמפרטורות הקרובות ל אפס מוחלטב-200 מילקלווין.
הניתוח והפרשנות של נתוני המדידה מראים כי שלב ספין-נמטי נוצר מתחת לשדות מגנטיים גבוהים במיוחד. במקום מגנונים בודדים, הוא קשור לזוגות מגנונים המתעבים בשלב זה. יש אפילו אנלוגיה למוליכות-על, מה שמרמז על השלב הספין-נמטי ב-SrCu2(בו3)2 מובן בצורה הטובה ביותר כעיבוי של זוגות קופר בוזוני.
התוצאות מראות שניתן להשתמש בניסויי פיזור נויטרונים בשדות מגנטיים גבוהים במיוחד כדי לחקור אזורים לא ידועים בעבר של חומר, בפרט שלבים מתואמים של מערכות רבות של גוף. "בתנאים של תסכול חזק וקיצוניות מבוקרת, עדיין ניתן למצוא מדינות וצווים חדשים רבים", מסכם פוג.
