Magnetisches Quantenmaterial erweitert die Plattform zur Erforschung von Informationstechnologien der nächsten Generation

Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory verwendeten Neutronenstreuung, um zu bestimmen, ob die Atomstruktur eines bestimmten Materials einen neuartigen Materiezustand beherbergen könnte, der als Spiralspinflüssigkeit bezeichnet wird. Durch die Verfolgung winziger magnetischer Momente, die als „Spins“ bekannt sind, auf dem Wabengitter eines geschichteten Eisentrichloridmagneten fand das Team das erste 2D-System, das eine spiralförmige Spinflüssigkeit beherbergt.

Die Entdeckung bietet einen Prüfstand für zukünftige Studien physikalischer Phänomene, die Informationstechnologien der nächsten Generation vorantreiben könnten. Dazu gehören Fraktons oder kollektive quantisierte Schwingungen, die sich für Quantencomputer als vielversprechend erweisen könnten, und Skyrmionen oder neuartige magnetische Spintexturen, die die Datenspeicherung mit hoher Dichte vorantreiben könnten.

„Materialien, die spiralförmige Spinflüssigkeiten enthalten, sind besonders spannend, da sie zur Erzeugung von Quantenspinflüssigkeiten, Spintexturen und Fraktionsanregungen verwendet werden können“, sagte Shang Gao vom ORNL, der die in veröffentlichte Studie leitete Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Eine lang gehegte Theorie sagte voraus, dass das Wabengitter eine spiralförmige Spinflüssigkeit beherbergen kann – eine neuartige Materiephase, in der Spins fluktuierende korkenzieherartige Strukturen bilden.

Bis zur vorliegenden Studie fehlten jedoch experimentelle Beweise für diese Phase in einem 2D-System. Ein 2D-System umfasst ein geschichtetes kristallines Material, in dem die Wechselwirkungen in der planaren Richtung stärker sind als in der Stapelrichtung.

Gao identifizierte Eisentrichlorid als vielversprechende Plattform zum Testen der Theorie, die vor mehr als einem Jahrzehnt vorgeschlagen wurde. Er und Co-Autor Andrew Christianson vom ORNL wandten sich an Michael McGuire, ebenfalls vom ORNL, der intensiv an der Züchtung und Untersuchung von 2D-Materialien gearbeitet hat, und fragten, ob er eine Eisentrichloridprobe für Neutronenbeugungsmessungen synthetisieren und charakterisieren würde. So wie 2D-Graphenschichten in Bulk-Graphit als Wabengitter aus reinem Kohlenstoff vorliegen, existieren 2D-Eisenschichten in Bulk-Eisentrichlorid als 2D-Wabenschichten. „Frühere Berichte deuteten darauf hin, dass dieses interessante Wabenmaterial bei niedrigen Temperaturen ein komplexes magnetisches Verhalten zeigen könnte“, sagte McGuire.

„Jede Wabenschicht aus Eisen hat darüber und darunter Chloratome, wodurch Chlor-Eisen-Chlor-Platten entstehen“, sagte McGuire. „Die Chloratome auf einer Platte interagieren sehr schwach mit den Chloratomen auf der Unterseite der nächsten Platte durch Van-der-Waals-Bindung. Diese schwache Bindung macht Materialien wie dieses leicht in sehr dünne Schichten auseinander, oft bis zu einer einzigen Platte Dies ist nützlich, um Geräte zu entwickeln und die Entwicklung der Quantenphysik von drei Dimensionen zu zwei Dimensionen zu verstehen.“

In Quantenmaterialien können sich Elektronenspins kollektiv und exotisch verhalten. Wenn sich ein Spin bewegt, reagieren alle – ein verstrickter Zustand, den Einstein „spukhafte Fernwirkung“ nannte. Das System bleibt in einem Zustand der Frustration – eine Flüssigkeit, die Unordnung bewahrt, weil Elektronenspins ständig die Richtung ändern und andere verschränkte Elektronen dazu zwingen, als Reaktion zu fluktuieren.

Das erste Neutronenbeugungsstudien von Eisenchloridkristallen wurden vor 60 Jahren am ORNL durchgeführt. Heute ermöglicht das umfassende Fachwissen des ORNL in den Bereichen Materialsynthese, Bildgebung, Neutronenstreuung, Theorie, Simulation und Berechnung wegweisende Erforschungen magnetischer Quantenmaterialien, die die Entwicklung von Technologien der nächsten Generation für Informationssicherheit und -speicherung vorantreiben.

Die Kartierung von Spinbewegungen in der spiralförmigen Spinflüssigkeit wurde durch Experten und Werkzeuge an der Spallations-Neutronenquelle und dem High Flux Isotope Reactor, den Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science am ORNL, ermöglicht. ORNL-Co-Autoren waren für den Erfolg der Neutronenstreuexperimente wesentlich: Clarina dela Cruz, die Experimente mit dem POWDER-Diffraktometer von HFIR leitete; Yaohua Liu, der Experimente mit dem CORELLI-Spektrometer von SNS leitete; Matthias Frontzek, der Experimente mit dem Diffraktometer WAND2 von HFIR leitete; Matthew Stone, der Experimente mit dem SEQUOIA-Spektrometer von SNS leitete; und Douglas Abernathy, der Experimente mit dem ARCS-Spektrometer von SNS leitete.

„Die Daten der Neutronenstreuung aus unseren Messungen bei SNS und HFIR lieferten überzeugende Beweise für eine Spiral-Spin-Flüssigkeitsphase“, sagte Gao.

„Die Neutronenstreuexperimente haben gemessen, wie die Neutronen Energie und Impuls mit der Probe austauschen, was einen Rückschluss auf die magnetischen Eigenschaften ermöglicht“, sagte Co-Autor Matthew Stone. Er beschrieb die magnetische Struktur einer spiralförmigen Spinflüssigkeit: „Sie sieht aus wie eine topografische Karte einer Berggruppe mit einem Bündel von Ringen, die nach außen gehen. Wenn Sie an einem Ring entlanggehen würden, würden alle Spins in die gleiche Richtung zeigen. Aber Wenn Sie nach außen gehen und verschiedene Ringe überqueren, werden Sie sehen, wie diese Spins beginnen, sich um ihre Achsen zu drehen. Das ist die Spirale.“

„Unsere Studie zeigt, dass das Konzept einer spiralförmigen Spinflüssigkeit für die breite Klasse von Wabengittermaterialien praktikabel ist“, sagte Co-Autor Andrew Christianson. „Es gibt der Community einen neuen Weg, um Spintexturen und neuartige Anregungen wie Fraktionen zu erforschen, die dann in zukünftigen Anwendungen wie Quantencomputern verwendet werden können.“

Der Titel der Arbeit lautet „Spiral Spin Liquid on a Honeycomb Lattice“.