Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory hanno utilizzato lo scattering dei neutroni per determinare se la struttura atomica di un materiale specifico potesse ospitare un nuovo stato della materia chiamato liquido di rotazione a spirale. Tracciando minuscoli momenti magnetici noti come "giri" sul reticolo a nido d'ape di un magnete in tricloruro di ferro a strati, il team ha scoperto il primo sistema 2D che ospita un liquido di rotazione a spirale.

La scoperta fornisce un banco di prova per futuri studi sui fenomeni fisici che potrebbero guidare le tecnologie dell'informazione di prossima generazione. Questi includono frazioni o vibrazioni quantizzate collettive che potrebbero rivelarsi promettenti nell'informatica quantistica e skyrmion o nuove trame di spin magnetico che potrebbero far progredire l'archiviazione dei dati ad alta densità.

"I materiali che ospitano i liquidi con spin a spirale sono particolarmente interessanti per il loro potenziale di essere utilizzati per generare liquidi di spin quantistico, texture di spin ed eccitazioni frattali", ha affermato Shang Gao di ORNL, che ha guidato lo studio pubblicato in Physical Review Letters .

Una teoria di lunga data prevedeva che il reticolo a nido d'ape può ospitare un liquido di rotazione a spirale, una nuova fase della materia in cui gli spin formano strutture fluttuanti simili a cavatappi.

Tuttavia, fino al presente studio, mancavano prove sperimentali di questa fase in un sistema 2D. Un sistema 2D comprende un materiale cristallino stratificato in cui le interazioni sono più forti nel piano che nella direzione di impilamento.

Gao ha identificato il tricloruro di ferro come una piattaforma promettente per testare la teoria, che è stata proposta più di un decennio fa. Lui e il coautore Andrew Christianson di ORNL si sono rivolti a Michael McGuire, anche lui di ORNL, che ha lavorato a lungo sulla coltivazione e sullo studio di materiali 2D, chiedendogli se avrebbe sintetizzato e caratterizzato un campione di tricloruro di ferro per misurazioni di diffrazione di neutroni. Come gli strati di grafene 2D esistono nella grafite sfusa come reticoli a nido d'ape di carbonio puro, gli strati di ferro 2D esistono nel tricloruro di ferro sfuso come strati a nido d'ape 2D. "Precedenti rapporti suggerivano che questo interessante materiale a nido d'ape potrebbe mostrare un complesso comportamento magnetico alle basse temperature", ha affermato McGuire.

"Ogni strato di ferro a nido d'ape ha atomi di cloro sopra e sotto di esso, creando lastre di cloro-ferro-cloro", ha detto McGuire. "Gli atomi di cloro sopra una lastra interagiscono molto debolmente con gli atomi di cloro sul fondo della lastra successiva attraverso il legame di van der Waals. Questo legame debole rende materiali come questo facilmente staccabili in strati molto sottili, spesso fino a un'unica lastra . Ciò è utile per sviluppare dispositivi e comprendere l'evoluzione della fisica quantistica da tre dimensioni a due dimensioni."

Nei materiali quantistici, gli spin degli elettroni possono comportarsi collettivamente ed esoticamente. Se un giro si muove, tutti reagiscono:uno stato intricato che Einstein chiamava "azione spettrale a distanza". Il sistema rimane in uno stato di frustrazione, un liquido che preserva il disordine perché gli spin degli elettroni cambiano costantemente direzione, costringendo altri elettroni aggrovigliati a fluttuare in risposta.

I primi studi sulla diffrazione dei neutroni dei cristalli di cloruro ferrico sono stati eseguiti presso l'ORNL 60 anni fa. Oggi, la vasta esperienza di ORNL in sintesi di materiali, imaging, diffusione dei neutroni, teoria, simulazione e calcolo consente esplorazioni pionieristiche di materiali quantistici magnetici che guidano lo sviluppo di tecnologie di prossima generazione per la sicurezza e l'archiviazione delle informazioni.

La mappatura dei movimenti di rotazione nel liquido di rotazione a spirale è stata resa possibile da esperti e strumenti presso la Spallation Neutron Source e l'High Flux Isotope Reactor, strutture per gli utenti del DOE Office of Science presso ORNL. I coautori dell'ORNL sono stati essenziali per il successo degli esperimenti di diffusione dei neutroni:Clarina dela Cruz, che ha condotto esperimenti utilizzando il diffrattometro POWDER di HFIR; Yaohua Liu, che ha condotto esperimenti utilizzando lo spettrometro CORELLI di SNS; Matthias Frontzek, che ha condotto esperimenti con WAND ² di HFIR diffrattometro; Matthew Stone, che ha condotto esperimenti con lo spettrometro SEQUOIA di SNS; e Douglas Abernathy, che ha condotto esperimenti utilizzando lo spettrometro ARCS di SNS.

"I dati sulla diffusione dei neutroni dalle nostre misurazioni a SNS e HFIR hanno fornito prove convincenti di una fase liquida con spin a spirale", ha affermato Gao.

"Gli esperimenti di diffusione dei neutroni hanno misurato il modo in cui i neutroni scambiano energia e quantità di moto con il campione, consentendo di dedurre le proprietà magnetiche", ha affermato il coautore Matthew Stone. Ha descritto la struttura magnetica di un liquido con rotazione a spirale:"Sembra una mappa topografica di un gruppo di montagne con un gruppo di anelli che vanno verso l'esterno. Se dovessi camminare lungo un anello, tutte le rotazioni punterebbero nella stessa direzione. Ma se cammini verso l'esterno e attraversi anelli diversi, vedrai quelle rotazioni iniziare a ruotare attorno ai loro assi. Questa è la spirale."

"Il nostro studio mostra che il concetto di un liquido con rotazione a spirale è fattibile per l'ampia classe di materiali reticolari a nido d'ape", ha affermato il coautore Andrew Christianson. "Offre alla comunità un nuovo percorso per esplorare le texture di spin e nuove eccitazioni, come i fratti, che potrebbero essere utilizzate in applicazioni future, come l'informatica quantistica."

Il titolo dell'articolo è "Spiral Spin Liquid on a Honeycomb Lattice". + Esplora ulteriormente

Il ricercatore utilizza HFIR per esplorare il misterioso mondo dello spin quantistico