Dati anelastici di scattering di neutroni dallo strumento Pelican a 1,5 K (a) e 4,0 K (b). Lo spin gap è evidente (banda blu inferiore) a 1,5 K (a) . Credito:Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare (ANSTO)
Le tecniche nucleari dell'ANSTO hanno contribuito a confermare un fenomeno di spin quantistico, una fase Haldane, in un materiale magnetico, che ha il potenziale per essere utilizzato come modello di misurazione per il calcolo quantistico.
Sebbene ci siano state prove sperimentali della fase Haldane in altri tipi di materiali antiferromagnetici unidimensionali, si ritiene che sia la prima prova in un materiale basato su cluster.
"Lo spettro di neutroni di Pelican ha fornito gli stessi dati che confermano l'esistenza dello stato di Haldane nella fedotovite, come proposto da altre nostre misurazioni e studi teorici. I dati sui neutroni hanno mostrato sia lo spin gap che la dispersione, che sono caratteristiche dello stato Haldane, ", ha affermato l'autore principale A/Prof Masayoshi Fujihara della Tokyo University of Science.
In un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica come "Suggerimento della redazione" , una vasta collaborazione di ricercatori, guidato da fisici dal Giappone, Gli scienziati degli strumenti ANSTO Drs Richard Mole, Dehong Yu e Shinichiro Yano del National Synchrotron Radiation Research Center di Taiwan (che gestisce lo strumento taiwanese Sika all'ANSTO), prove sperimentali condivise della fase Haldane in fedotovite.
Il quadro di questo insolito stato della materia è stato previsto dal professor Duncan Haldane, che ha condiviso il Premio Nobel per la Fisica per lo sviluppo delle 'fasi topologiche della teoria della materia' con David Thouless e Michael Kosterlitz nel 2016.
Sistemi di spin quasi unidimensionali, come la fedotovite K 2 Cu 3 O(SO 4 ) 3 , hanno un comportamento magnetico insolito a temperature molto basse, in cui lo stato fondamentale è una catena unidimensionale in configurazione di tripletta con spin S=1.
S=1 si verifica perché c'è un numero pari di S=1/2 sugli ioni magnetici Cu2+ alle estremità della catena di spin, come previsto da Haldane.
"Le catene quasi unidimensionali come la fedotovite non hanno un singolo spin ma un gruppo di spin che formano un cluster. Un cluster di atomi interagisce debolmente con il vicino cluster di atomi, " disse Mole.
Struttura cristallina di K 2 Cu 3 O(SO 4 ) 3 . Credito:Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare (ANSTO)
L'accoppiamento magnetico si verifica a causa delle interazioni di super scambio tra i cluster di spin e il piccolo accoppiamento antiferromagnetico all'interno del cluster.
"Quel comportamento divaricato è osservabile nello spettro del pellicano, che è altamente sensibile alle interazioni magnetiche deboli, " disse Mole.
La fedotovite ha una disposizione unica di ioni magnetici e un comportamento magnetico a due stadi.
Lo scattering anelastico di neutroni sullo spettrometro a tempo di volo Pelican ha catturato il gap di spin a 1,5 K con una magnitudine di 0,6. meV che chiude a 4.0 K. Le misurazioni erano in accordo con le previsioni teoriche.
"Stiamo parlando di quantità di energia molto piccole ma il divario è reale, " disse Yu.
"Lo stato di Haldane emergerà ogni volta che il numero di tetraedri nella catena di cluster di spin è pari ma non dispari come previsto dai nostri calcoli teorici in questo articolo, " disse Yano.
La struttura cristallina del minerale fedotovite è stata originariamente determinata da scienziati russi negli anni '90, tuttavia il lavoro attuale ha utilizzato un metodo sintetico di nuova concezione nel laboratorio Fujiahala dell'Università delle Scienze di Tokyo.
Ha permesso la produzione di grandi quantità di campioni di elevata purezza, essenziali per gli esperimenti di diffusione dei neutroni.
La struttura cristallina è stata determinata mediante diffrazione di raggi X presso la Photon Factory, Organizzazione di ricerca sugli acceleratori ad alta energia (KEK) in Giappone.
