Paige Kelley, un ricercatore post-dottorato con un incarico congiunto presso l'Università del Tennessee e l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy (DOE), sta usando i neutroni per studiare proprietà specifiche dei cristalli che potrebbero portare alla realizzazione di un liquido con spin quantistico, un nuovo stato della materia che potrebbe costituire la base delle future tecnologie di calcolo quantistico.

"In un liquido a spin quantistico, gli spin fluttuano continuamente a causa degli effetti quantistici e non entrano mai in una disposizione ordinata statica, a differenza dei magneti convenzionali, " ha detto Kelley. "Questi stati possono ospitare quasiparticelle esotiche che possono essere rilevate dallo scattering anelastico di neutroni".

Recentemente, lei e il suo team hanno visto prove di quelle quasiparticelle nel tricloruro di alfa-rutenio, quando hanno diluito il campione con una piccola quantità di iridio. l'iridio, Kelley dice, sopprime l'ordine magnetico intrinseco a lungo raggio nel tricloruro di rutenio puro rendendo possibile lo studio dello stato liquido di spin.

Il team ha condotto misurazioni di diffrazione di neutroni a bassa temperatura utilizzando lo strumento diffrattometro a quattro cerchi, linea di luce HB-3A, e lo spettrometro a triplo asse a energia incidente fissa (FIE-TAX), HB-1A, presso il reattore isotopico ad alto flusso di ORNL (HFIR), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Hanno usato entrambi gli strumenti per studiare la struttura cristallina, stato fondamentale magnetico, e le dimensioni del momento magnetico in singoli cristalli di tricloruro di rutenio sostituito con iridio.

"Ho preparato cristalli singoli in cui una piccola quantità di rutenio è stata sostituita da ioni di iridio non magnetici e ho usato gli strumenti Four Circle e FIE-TAX per determinare come questo influisse sull'ordine magnetico nel sistema, "Ha detto Kelley.

Quando si incorpora una piccola quantità di iridio, lei spiegò, hanno scoperto che l'inizio dello stato magneticamente ordinato avviene a una temperatura inferiore rispetto al tricloruro di rutenio puro, e lo stato a bassa temperatura mostra una dimensione del momento ordinata più piccola. Entrambe le proprietà sono indicatori della forza delle interazioni magnetiche convenzionali nel sistema.

"Aggiungendo iridio non magnetico stiamo indebolendo l'ordine a lungo raggio che compete con lo stato fondamentale liquido di spin quantistico nel cloruro di rutenio, " ha detto. "La soppressione dell'ordine magnetico è sicuramente un passo nella giusta direzione e apre la possibilità di realizzare un liquido di spin quantistico in questo materiale con una concentrazione di iridio sufficiente".

La diffusione dei neutroni si è dimostrata ottimale per Kelley e per la ricerca del suo team grazie al modo in cui i neutroni si comportano all'interno dei materiali magnetici.

"Poiché i neutroni stessi hanno uno spin, la diffusione di neutroni è molto più sensibile ai momenti magnetici dovuti agli elettroni spaiati in un campione rispetto ad altre tecniche come la diffusione di raggi X, "Ha detto Kelley.

Prima di venire all'ORNL, Kelley ha studiato nanotecnologia come ricercatore laureato presso la University of South Florida. Continua a dare nuovi contributi nella fisica della materia condensata e nel crescente campo dei materiali quantistici.

"Le eccitazioni di quasiparticelle in un liquido con spin quantistico potrebbero essere manipolate per costruire bit o qubit quantistici, l'unità di base della computazione quantistica, " ha detto Kelley. "Questa ricerca potrebbe portare a grandi passi avanti in quel campo."