สปินซุปเปอร์โซลิดปรากฏในสารต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแม่เหล็กควอนตัม – Physics World

สปินซุปเปอร์โซลิดปรากฏในสารต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแม่เหล็กควอนตัม – Physics World

ประทับเวลา: 26 มกราคม 2024 7:00 น

รูปที่แสดงกระบวนการทำความเย็นแบบอะเดียแบติกของของแข็งยิ่งยวดที่หมุน เมื่อเปรียบเทียบกับการทำความเย็นแบบพาราแมกเนติก
รูปภาพนี้แสดงให้เห็นกระบวนการทำความเย็นแบบอะเดียแบติกของซูเปอร์โซลิดสปินแบบหมุน เมื่อเปรียบเทียบกับการทำความเย็นแบบพาราแมกเนติก โดยเน้นที่คุณลักษณะเฉพาะของการทำความเย็นแบบสปินซูเปอร์โซลิด โครงสร้างโครงตาข่ายสามเหลี่ยมและอุปกรณ์ทดลอง (ที่มีสารประกอบ NBCP) สำหรับการวัดแมกนีโทแคลริกอะเดียแบติกจะรวมอยู่ในสิ่งที่ใส่เข้าไปด้วย (เอื้อเฟื้อโดย: W Li)

นักวิจัยในประเทศจีน ฝรั่งเศส และออสเตรเลียได้ค้นพบหลักฐานใหม่เกี่ยวกับสถานะควอนตัมที่แปลกใหม่ของสสารที่เรียกว่าสปินซุปเปอร์โซลิด การค้นพบนี้สร้างขึ้นในวัสดุต้านแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีโครงสร้างโครงตาข่ายอะตอมรูปสามเหลี่ยม แสดงถึงความก้าวหน้าในฟิสิกส์พื้นฐานและอาจช่วยในการพัฒนาเทคนิคการทำความเย็นแบบใหม่ที่ไม่ต้องใช้ฮีเลียมเหลว เนื่องจากวัสดุดังกล่าวยังแสดงให้เห็นถึงผลกระทบจากแมกนีโตแคลอริกขนาดยักษ์อีกด้วย

ดังที่ชื่อของมันบอกเป็นนัย ซุปเปอร์ของแข็งคือวัสดุที่ไหลโดยไม่มีการเสียดสี (เช่น ของเหลวยิ่งยวด) แม้ว่าส่วนประกอบของพวกมันจะถูกจัดเรียงเป็นตาข่ายผลึก (เช่น ของแข็ง) ด้วยเหตุนี้ วัสดุเหล่านี้จึงทำลายความสมมาตรที่ต่อเนื่องกันสองส่วน: ค่าคงที่การแปลเนื่องจากลำดับผลึก และวัดความสมมาตร เนื่องจากการไหลแบบไม่มีแรงเสียดทานของวัสดุ

นักทฤษฎีคาดการณ์ไว้ในช่วงทศวรรษปี 1960 ว่าซูเปอร์โซลิดควรมีอยู่ในของแข็งควอนตัมที่เรียกว่าตำแหน่งว่างโบโซนิกเคลื่อนที่ ซึ่งก็คือช่องว่างที่ทิ้งไว้เนื่องจากอะตอมที่มีค่าการหมุนของจำนวนเต็มเคลื่อนที่ผ่านตาข่ายผลึก เริ่มต้นในทศวรรษ 1980 การวิจัยเชิงทดลองมุ่งเน้นไปที่ข้อบ่งชี้ว่าความเป็นของแข็งยิ่งยวดอาจเกิดขึ้นในฮีเลียม-4 ของไหลยิ่งยวด ในปี 2004 นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนีย ในสหรัฐอเมริการายงานหลักฐานเกี่ยวกับความแข็งแกร่งยิ่งยวดในเอกสารนี้ อย่างไรก็ตาม ได้มีการสอบสวนเพิ่มเติมโดยนักวิจัยคนเดียวกัน เปิดเผยว่าพวกเขาคิดผิดและการสังเกตของพวกเขาอาจเป็นได้ อธิบายด้วยวิธีอื่น.

การทดลองล่าสุดเพิ่มเติม ได้แสดงให้เห็นว่าก๊าซควอนตัมไดโพลาร์ที่ถูกยืดออกไปในทิศทางเดียวสามารถผ่านการเปลี่ยนเฟสจากคอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์ปกติ (BEC) ไปเป็นสถานะที่มีคุณสมบัติเป็นของแข็งยิ่งยวด อะตอมในก๊าซไดโพลาร์มีโมเมนต์แม่เหล็กขนาดใหญ่ และเป็นอันตรกิริยาระหว่างพวกมันที่ทำให้เกิดความเป็นของแข็งยิ่งยวดในระบบเหล่านี้

ชั้นของหลักฐาน

นักวิจัยนำโดย กังซู ที่ มหาวิทยาลัยราชบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์จีน (CAS) ในกรุงปักกิ่งตอนนี้กล่าวว่าพวกเขาได้พบอะนาล็อกแม่เหล็กควอนตัมของซูเปอร์โซลิดในแอนติเฟอร์โรแมกเนติกที่สังเคราะห์เมื่อเร็ว ๆ นี้ด้วยสูตรทางเคมี Na2บาโค(ป4)2. สารประกอบนี้เรียกว่า NBCP ยังแสดงผลแมกนีโตแคลอริกขนาดยักษ์ ซึ่งหมายความว่ามันจะร้อนขึ้นและเย็นลงอย่างมากเมื่อมีการใช้และถอดสนามแม่เหล็กภายนอก

ซูและเพื่อนร่วมงาน เว่ยลี่ ของ สถาบันฟิสิกส์ทฤษฎี CAS; จุนเซินเซียง และ เป่ยเจี๋ย ซัน จาก สถาบันฟิสิกส์ กศนและ เวนเทา จิน at มหาวิทยาลัย Beihang ทำการตรวจวัดแมกนีโทแคลริกที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1 เคลวิน ข้อตกลงที่ยอดเยี่ยมระหว่างข้อมูลการทดลองกับการคำนวณทางทฤษฎีของการเปลี่ยนเฟสควอนตัมยิ่งยวดช่วยโน้มน้าวพวกเขาว่าพวกเขากำลังสังเกตเห็นซูเปอร์โซลิดที่หมุนตัวใหม่

การยืนยันเพิ่มเติมมาจากหลักฐานระดับจุลภาคที่พวกเขาได้รับจากการทดลองการเลี้ยวเบนของนิวตรอนกับตัวอย่าง NBCP คุณภาพสูงที่ สถาบัน Laue-Langevin ในฝรั่งเศสและ องค์การวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งออสเตรเลีย. “พีคของการเลี้ยวเบนเผยให้เห็นลำดับซับแลตทิซสามชั้นในระนาบ ลำดับที่มั่นคง และความไม่สมดุลในทิศทางนอกระนาบ” ซูกล่าว "อย่างหลังอาจเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของโหมด Goldstone ที่ไม่มีช่องว่าง (รูปแบบหนึ่งของการทำลายโบซอนแบบสมมาตร) และดังนั้นจึงสนับสนุนการมีอยู่ของ superfluidity ของสปินในสารประกอบ"

สถานะควอนตัมใหม่ของสสารและกลไกการระบายความร้อนใหม่

ทีมงาน CAS เลือกศึกษา NBCP เนื่องจากแสดงให้เห็นความผันผวนของการหมุนของพลังงานต่ำอย่างมาก ซึ่งบ่งชี้ถึงสถานะของเหลวของการหมุนของควอนตัมที่เป็นไปได้ นอกจากนี้ยังเป็นแม่เหล็กต้านเฟอร์โรแมกเน็ต ซึ่งหมายความว่าไม่เหมือนกับเฟอร์โรแมกเนติกทั่วไปซึ่งมีการหมุนของอิเล็กตรอนแบบขนาน การหมุนของอิเล็กตรอนมีแนวโน้มที่จะจัดเรียงขนานกัน การต่อต้านการวางแนวนี้นำไปสู่การมีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างการหมุน

หลังจากที่สมาชิกคนหนึ่งของทีมแนะนำว่าอาจมีสปินซูเปอร์โซลิดอยู่ใน NBCP Li และ Gang ถามเพื่อนร่วมงานนักทดลองของพวกเขา Xiang, Jin และ Sun ว่ามันเป็นไปได้ที่จะมองหาสถานะการหมุนควอนตัมใหม่ในสารประกอบหรือไม่ “พวกเขาทำและสังเกตสถานะควอนตัมใหม่ของสสาร ซึ่งก็คือการหมุนของของแข็งยิ่งยวด” Li เล่า

นอกจากการเปิดเผยสถานะควอนตัมใหม่ของสสารแล้ว การค้นพบนี้ยังอาจนำไปสู่วิธีการทำความเย็นแบบ sub-Kelvin ที่ปราศจากฮีเลียมแบบใหม่อีกด้วย สิ่งเหล่านี้เป็นที่ต้องการอย่างมากในด้านวัสดุศาสตร์ เทคโนโลยีควอนตัม และการประยุกต์อวกาศ และอื่นๆ อีกมากมาย Li กล่าว โลกฟิสิกส์.

Li อธิบายว่าปัจจุบันมีสองวิธีหลักในการทำให้วัสดุเย็นลงจนถึงอุณหภูมิไม่กี่เคลวิน อย่างแรกคือการใช้ฮีเลียมซึ่งจะกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4.15 เคลวิน อย่างที่สองคือการใช้ประโยชน์จากผลของสนามแม่เหล็ก ซึ่งวัสดุบางชนิดจะเปลี่ยนอุณหภูมิภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กที่ใช้ เทคนิคทั้งสองนี้มีข้อเสีย: ฮีเลียมนั้นหายากและมีราคาแพง ในขณะที่สารประกอบประเภทพิเศษที่ใช้สำหรับการทำความเย็นด้วยแมกนีโตแคลอริก (รู้จักกันในชื่อเกลือพาราแมกเนติกไฮเดรต) มีความหนาแน่นเอนโทรปีของแม่เหล็กต่ำ ความเสถียรทางเคมีต่ำ และค่าการนำความร้อนต่ำ อย่างไรก็ตาม Li อ้างว่าผลกระทบจากสนามแม่เหล็กขนาดยักษ์ในซูเปอร์โซลิดของสปินที่เพิ่งค้นพบใหม่สามารถ "เอาชนะข้อบกพร่องเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ" โดยใช้ประโยชน์จากการกระตุ้นการหมุนโดยรวมที่พลังงานต่ำ

กำลังมองหาสปินซูเปอร์โซลิดอื่นๆ

ขณะนี้นักวิจัยกำลังพยายามที่จะได้รับหลักฐานเชิงพลวัตเพิ่มเติมเกี่ยวกับความเป็นของแข็งของสปินใน NBCP ด้วยเหตุนี้ Jin กล่าวว่าพวกเขากำลังทำการวัดการกระเจิงนิวตรอนแบบไม่ยืดหยุ่นเพื่อตรวจสอบโหมด Goldstone ที่เกี่ยวข้องกับลำดับ superfluid ของสปิน พวกเขายังวางแผนที่จะทำการทดลองการเลี้ยวเบนของนิวตรอนแบบโพลาไรซ์เพื่อเสริมความแข็งแกร่งให้กับการค้นพบของพวกเขา

ในที่สุด ทีมงานกำลังตรวจสอบสารประกอบขัดแตะสามเหลี่ยมอื่นๆ ด้วยความพยายามที่จะระบุสถานะซูเปอร์โซลิดของสปินเพิ่มเติมหรือสถานะสปินที่แปลกใหม่อื่นๆ "โดยการทำเช่นนั้น เราหวังว่าจะเข้าใจปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ซ่อนอยู่ซึ่งก่อให้เกิดเฟสควอนตัมที่น่าสนใจเหล่านี้ได้ดีขึ้น" ซูกล่าว

การศึกษาปัจจุบันของพวกเขามีรายละเอียดอยู่ใน ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์