Pemecahan Perilaku Kuantum dalam Material Besi-Iodida

Pemecahan Perilaku Kuantum dalam Material Besi-Iodida

Para peneliti dari Georgia Tech dan University of Tennessee – Knoxville menemukan perilaku kuantum yang tersembunyi dan tidak terduga dalam material besi-iodida (FeI2) yang ditemukan hampir seabad yang lalu. Wawasan penelitian baru ke dalam perilaku material diaktifkan menggunakan kombinasi eksperimen hamburan neutron dan perhitungan Fisika teoretis di Departemen Energi (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Kemudian temuan tersebut diterbitkan dalam Journal Nature Physics.

“Temuan kami sebagian besar didorong oleh rasa ingin tahu,” kata Xiaojian Bai, penulis pertama artikel tersebut. Bai menyandang gelar doktor. di Georgia Tech dan bekerja sebagai peneliti pasca doktoral di ORNL, di mana dia menggunakan neutron untuk mempelajari bahan magnet. "Saya menemukan bahan besi iodida ini pada tahun 2019 sebagai bagian dari proyek tesis doktoral. Saya mencoba menemukan senyawa dengan kisi-kisi segitiga magnet yang menghadirkan apa yang disebut 'frustrated magnetism'" Tuturnya.

Pada magnet umum, seperti magnet lemari es, elektron material tersusun dalam garis seperti panah yang semuanya mengarah ke arah yang sama yaitu naik atau turun, atau bergantian antara naik dan turun. Arah titik elektron disebut "spin", tetapi pada bahan yang lebih kompleks seperti besi iodide. Elektron disusun dalam kisi segitiga, di mana gaya magnet antara tiga momen magnet saling bertentangan dan tidak tahu arah mana yang harus dituju. Oleh karena itu, hal tersebut disebut sebagai “'frustrated magnetism”.

"Ketika saya membaca semua literatur, saya melihat senyawa dari besi iodida, yang ditemukan pada tahun 1929 dan dipelajari secara ekstensif pada tahun 1970-an dan 1980-an," kata Bai. “Saat itu, mereka melihat keanehan atau pola perilaku yang tidak konvensional, tetapi mereka tidak benar-benar memiliki sumber daya untuk sepenuhnya memahami mengapa mereka melihatnya. Jadi kami tahu ada sesuatu yang belum terselesaikan yang aneh dan menarik, dan dibandingkan dengan itu. 40 tahun yang lalu kami memiliki alat eksperimental yang jauh lebih canggih, jadi kami memutuskan untuk meninjau masalah ini dan berharap mendapatkan informasi baru. "

Materi kuantum sering digambarkan sebagai sistem yang menunjukkan perilaku eksotis dan tidak mematuhi hukum fisika klasik, seperti materi padat yang berperilaku seperti cairan, dengan partikel yang bergerak seperti air dan menolak untuk membekukan atau menghentikan gerakannya bahkan pada suhu beku. Memahami bagaimana fenomena eksotis itu bekerja, atau mekanisme yang mendasarinya, adalah kunci untuk memajukan elektronik dan mengembangkan teknologi generasi berikutnya.

"Dalam material kuantum, dua hal yang sangat menarik yaitu fase materi seperti cairan, padatan, dan gas, dan eksitasi fase tersebut gelombang suara. Demikian pula, gelombang spin adalah eksitasi material padat magnetik," kata Martin Mourigal, Profesor Fisika di Georgia Tech. "Untuk waktu yang lama, pencarian kami dalam material kuantum adalah menemukan fase eksotis, tetapi pertanyaan yang kami tanyakan pada diri kami sendiri dalam penelitian ini adalah 'Mungkin fase itu sendiri tampaknya tidak eksotis, tetapi bagaimana jika eksitasi-nya?' Dan memang itulah yang kami temukan. "

Neutron adalah probe ideal untuk mempelajari magnet karena mereka sendiri bertindak seperti magnet mikroskopis dan dapat digunakan untuk berinteraksi dengan dan merangsang partikel magnet lain tanpa menghilangkan struktur atom material.

Ketika memaparkan material besi-iodida ke berkas neutron, Bai dan Mourigal melihat bukan hanya satu, tetapi dua fluktuasi kuantum berbeda yang memancar secara bersamaan. Dengan bantuan dari Batista dan kelompoknya, tim tersebut secara matematis dapat memodelkan perilaku fluktuasi kuantum misterius dan, setelah melakukan eksperimen neutron tambahan menggunakan instrumen CORELLI dan SEQUOIA di SNS, mereka dapat mengidentifikasi mekanisme yang menyebabkannya muncul.

"Apa yang diprediksikan oleh teori dan apa yang dapat kami konfirmasikan dengan neutron, adalah bahwa fluktuasi eksotis ini terjadi ketika arah putaran antara dua elektron dibalik, dan momen magnetnya miring ke arah yang berlawanan," kata Batista. "Ketika neutron berinteraksi dengan spin elektron, spin berputar secara sinkronisitas sepanjang arah tertentu di ruang angkasa. Koreografi yang dipicu oleh hamburan neutron ini menciptakan gelombang spin."

Dia menjelaskan bahwa dalam material yang berbeda, spin elektronik dapat memiliki banyak orientasi berbeda dan koreografi spin yang menciptakan berbagai jenis gelombang spin. Dalam mekanika kuantum, konsep ini dikenal sebagai "dualitas gelombang-partikel," di mana gelombang baru dianggap sebagai partikel baru dan biasanya tersembunyi pada hamburan neutron dalam kondisi normal.

"Dalam mekanika kuantum, tidak ada perbedaan antara gelombang dan partikel. Kami memahami perilaku partikel berdasarkan panjang gelombang, dan itulah yang memungkinkan neutron untuk mengukurnya," kata Bai.

Mourigal menyamakan cara neutron mendeteksi partikel dengan gelombang yang pecah di sekitar bebatuan di permukaan laut. "Di air yang tenang kita tidak bisa melihat bebatuan di dasar laut sampai gelombang bergerak di atasnya," kata Mourigal. “Hanya dengan menciptakan gelombang sebanyak mungkin dengan neutron, melalui teori Cristian, Xiaojian dapat mengidentifikasi bebatuan, atau dalam hal ini, interaksi yang membuat fluktuasi tersembunyi terlihat”.

Memanfaatkan perilaku magnet kuantum telah menyebabkan kemajuan teknologi seperti mesin MRI dan penyimpanan hard disk magnetik yang mengkatalisasi komputasi pribadi. Material kuantum yang lebih eksotis dapat mempercepat gelombang teknologi berikutnya.

"Saat kami memperkenalkan lebih banyak bahan ke dalam suatu bahan, kami juga meningkatkan potensi masalah seperti gangguan dan heterogenitas. Jika kami benar-benar ingin memahami dan menciptakan sistem mekanis kuantum yang bersih berdasarkan bahan, kembali ke sistem sederhana ini mungkin lebih penting daripada yang kami kira. , "kata Mourigal.

"Jadi itu memecahkan teka-teki berusia 40 tahun tentang eksitasi misterius di besi-iodida," kata Bai. "Kami memiliki keuntungan hari ini dalam kemajuan fasilitas neutron skala besar seperti SNS yang memungkinkan kami untuk menyelidiki seluruh ruang energi dan momentum suatu materi untuk melihat apa yang terjadi dengan kegembiraan eksotis ini.

“Sekarang setelah kami memahami bagaimana perilaku eksotis ini bekerja dalam materi yang relatif sederhana, kami dapat membayangkan apa yang dapat kami temukan dalam materi yang lebih rumit. Pemahaman baru ini telah memotivasi kami dan mudah-mudahan akan memotivasi komunitas ilmiah untuk menyelidiki lebih banyak tentang materi semacam ini. yang pasti akan mengarah pada fisika yang lebih menarik. "


Sumber

Rumsey, Jeremy. 2021. “Neutrons Piece Together 40-Year Puzzle Iron-Iodide’s Mysterious Magnetism”. Available at: https://phys.org/news/2021-05-neutrons-piece-year-puzzle-iron-iodide.html
Lebih baru Lebih lama