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Jun 13, 2023

삼각 격자 자석의 양자 무질서 바닥 상태 관찰

2023년 5월 25일 특집은 이쪽

2023년 5월 25일 특집

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잉그리드 파델리(Ingrid Fadelli), Phys.org

삼각형 격자를 갖는 자성 재료는 스핀 액체 상태를 나타낼 수 있다는 이론적 예측에 따라 수많은 연구 연구의 초점이 되어 왔습니다. 이는 양자 얽힘 및 분할된 여기와 같은 흥미로운 특성을 나타내는 물질의 양자 단계입니다.

삼각형 격자를 가진 재료에서 이러한 매혹적인 단계를 관찰하기 위한 수많은 실험적 노력이 있었지만 지금까지 이는 매우 어려운 것으로 판명되었습니다. 이에 대한 주요 이유는 이러한 물질의 약한 스핀-궤도 결합 및 기타 교란으로 인해 일반적으로 기존 스핀 동결 또는 자기 상태가 발생한다는 것입니다.

캘리포니아 대학교, 보스턴 칼리지, 오크리지 국립 연구소, 국립 표준 기술 연구소의 연구원들은 최근 삼각형 격자 자석 NaRuO2에서 양자 무질서한 바닥 상태를 생성할 수 있었습니다. Nature Physics에 발표된 그들의 발견은 이 상태가 자성 물질의 스핀-궤도 결합과 상관 효과 사이의 협력적인 상호 작용에 의해 가능하다는 것을 시사합니다.

"우리는 양자 무질서한 바닥 상태라고 부르는 물질을 찾기 위해 오랫동안 삼각형 격자를 연구해 왔습니다."라고 이번 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Stephen D. Wilson이 Phys.org에 말했습니다. "이것은 가장자리를 공유하는 삼각형의 네트워크 내에 각각 앉아 있는 각 원자의 자기 모멘트가 절대 영도에서도 정렬되지 않거나 제자리에 고정되지 않는 상태입니다. 이러한 정렬 실패는 명목상 모멘트를 지속적으로 뒤섞는 양자 변동으로 인해 발생합니다. 새롭고 본질적으로 무질서하며 동적 자기 접지 상태를 정의하는 역할을 합니다."

재료에서 양자 바닥 상태를 실현하는 한 가지 접근 방식은 개별 전자의 궤도 자유도를 스핀 자유도와 얽히게 하는 효과적인 전략을 식별하는 것입니다. 이는 궁극적으로 팀의 NaRuO2 샘플에도 포함된 화합물의 루테늄(Ru)을 포함하여 서로 다른 원소를 조심스럽게 결합함으로써 달성될 수 있습니다.

Wilson은 “가장 큰 과제는 우리가 관심을 갖고 있는 물질인 NaRuO2를 깨끗하게 만드는 것이었습니다.”라고 설명했습니다. "양자 자기 영역에서 무슨 일이 일어나고 있는지 실제로 테스트하려면 화학적 불순물과 같은 외부 요인을 최대한 제거해야 합니다. NaruO2를 충분한 품질로 만든 후에 수행할 수 있는 몇 가지 실험이 있었는데, 모두 무슨 일이 일어나고 있는지 물리학에 대해 좀 더 자세히 알아보세요. 즉, 복잡한 물질의 전체 그림을 형성하려면 여러 개의 서로 다른 창이 필요합니다."

깨끗한 NaRuO2 샘플을 확인한 후 Wilson과 그의 동료들은 기본 물리학을 더 잘 이해하기 위해 일련의 테스트와 실험을 수행했습니다. 그들은 먼저 자기 민감성과 매우 낮은 온도까지의 열용량을 측정하는 등 기본적인 대량 특성화 방법을 사용하여 이를 조사했습니다.

Wilson은 "우리는 또한 비탄성 중성자 산란 및 뮤온 스핀 완화 측정과 같은 고급 실험을 수행했습니다."라고 말했습니다. "이 모든 탐사선은 바닥 상태로 냉각될 때 NaRuO2의 자기 모멘트가 각각 다른 길이와 시간 규모에서 어떤 역할을 하는지 알려줍니다. 종합적인 그림을 보면 자기 모멘트가 순서대로 정렬되지 않고 대신 다음과 같이 변동한다는 것을 알 수 있습니다. 필요한 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각하면 양자 무질서한 바닥 상태의 그림을 그릴 수 있습니다."