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量子计算的见解。

听起来像一个谜语:如果你服用两个小钻石,你会得到什么,把它们之间的小磁性水晶放在一起慢慢挤在一起?

答案是磁性液体,似乎是逆情的。液体在压力下变得固体,但通常不相同。But this unusual pivotal discovery, unveiled by a team of researchers working at the Advanced Photon Source (APS), a U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility at DOE’s Argonne National Laboratory, may provide scientists with new insight into high-temperature superconductivity and quantum computing.

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。高温超导体可在高于液氮(-320华氏度)的温度下操作,使它们对于电网中的无损传输线和能量领域的其他应用中有吸引力。

但没有人真正知道高温超导体如何实现这种状态。需要这种知识来将这些材料的工作温度提高到环境温度,以节能电网中超导体的全规模实施所需的东西。

“量子旋转液是旋转状态的叠加,波动但缠绕。这是公平的说,这一过程应该创造一个Quantum旋转液体叠加,将使量子电脑的基本构建块。“- Daniel Haskel,物理学家和集团领导,XSD

由1987年由普林斯顿大学的后期理论家菲尔安德森举行的一个想法涉及将材料放入量子旋转液态,Anderson提出的是高温超导导致的。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。

Pressure provides a way to “tune” the separation between electron spins and drive a magnet into a frustrated state where magnetism goes away at a certain pressure and a spin liquid emerges, according to Daniel Haskel, the physicist and group leader in Argonne’s X-ray Science Division (XSD) who led a research team through a series of experiments at the APS to do just that. The team included Argonne assistant physicist Gilberto Fabbris and physicists Jong-Woo Kim and Jung Ho Kim, all of XSD.

Haskel小心地说他的团队的结果,最近发表在物理评论信,不要得出结论旋转液态的量子性质,其中即使在绝对零温度下,原子旋转也将继续移动 - 需要更多的实验来证实。

但是,他们确实表明,通过施加缓慢和稳定的压力,可以将一些磁性材料推入类似于液体的状态,其中电子旋转变得无序,磁性消失,同时保留托管电子旋转的原子的晶体布置。研究人员相信它们已经创造了一种旋转液体,其中电子旋转是无序的,但如果那些旋转缠结,则不确定,这将是量子旋转液体的标志。

如果这是Quantum旋转液体,Haskel表示,通过这种方法创建一个的能力将具有广泛的含义。

“某些类型的量子旋转液体可以实现无差无瓦朗普计算”,“哈克尔说。“量子旋转液是旋转状态的叠加,波动但缠绕。这是公平的说,这一过程应该创造一个Quantum旋转液体叠加,将使量子电脑的基本构建块。“

那么球队所做的是什么,他们是如何做到的?这将我们带回了钻石,部分是APS的独特实验设置的一部分。研究人员使用了两颗钻石砧座,以与您在珠宝店中所看到的相似的方式切割,宽底座和较窄的平坦边缘。它们将较小的扁平边缘定位在一起,将磁性材料样品(在这种情况下,在这种情况下,在它们之间插入并推动。

“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。

并看到它消失了,在20左右20种千兆卡帕尔斯 - 相当于200,000个大气压,或者比在太平洋的Mariana沟槽底部找到的压力大约200倍,地球最深刻的沟渠。电子的旋转仍然在短距离上相关,如液体,但即使在低至1.5 kelvin(-457华氏度)的温度下也保持无序。

戏法,哈斯克尔说 - 创造旋转液态的关键是为了保持原子排列的结晶顺序和对称性,因为原子序中的随机性病症的不需要的效果将导致不同的磁态,一个没有旋转液态的独特性质。哈斯克尔将电子旋转与城市街区的邻居相比 - 当他们更接近时,他们都希望彼此开心,改变他们的旋转方向以匹配他们的邻居。目标是让他们如此近距离,他们不能让他们的所有邻居都幸福,从而“令人沮丧”他们的自旋相互作用,同时仍然保持城市块的结构。

研究团队使用了APS的强烈X射线成像功能来测量样品的磁性,并根据Haskel和Fabbris,APS是美国唯一可以完成这样的实验的设施。特别是,Fabbris表示,专注于一种类型的原子,无视所有其他原子的能力至关重要。

“样品非常小,如果你试图用大学实验室中的其他技术测量磁力,你将从金刚石砧座细胞中的组件中拿起磁信号,”Fabbris说。“我们所做的测量是不可能的,没有像AP的光源。它是独特的能力。“

现在该团队已经取得了旋转液态,下一步是什么?需要更多的实验来查看是否已创建量子旋转液体。未来的实验将涉及探测自旋动力学和相关性在旋转液态中的相关性。但最近的结果,Haskel表示,为实现这些难以捉摸的量子状态提供了一种可能导致新洞察超导和量子信息科学的路径。

Haskel还指出了APS升级,一个大规模的项目将看到仪器的亮度增加到1000次。他说,这将允许更深入地探讨这些令人着迷的物质状态。

“这取决于任何人的想象力,令人惊讶的量子力学效果正在等待被发现,”他说。

参考:“在压缩SR中可能的量子副函数2伊罗4.“由D. Haskel,G.Fabbris,J.H.Kim,L.S.I1.Veiga,J.R.L.Mardegan,C. A.Sucanhoela,Jr.,S. Chikara,V. Struzhkin,T. Struzhkin,T。Senthil,B. J. Kim,G. Cao和J. -w。金,11月11日,物理评论信
DOI:10.1103 / physrevlett.124.067201

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