Кристаллическая структура NaRuO₂: Серые октаэдры показывают атомы Ru, координированные кислородом (красные шарики). Желтые октаэдры показывают атомы Na, координированные кислородом.
Предоставлено: Ортис и др.

Магнитные материалы с треугольной решеткой были в центре внимания многочисленных исследований, поскольку теоретические предсказания предполагают, что они могут проявлять состояния спиновой жидкости. Это квантовые фазы материи, обладающие интересными характеристиками, такими как квантовая запутанность и фракционированные возбуждения.

Хотя были предприняты многочисленные экспериментальные усилия, направленные на наблюдение этих захватывающих фаз в материалах с треугольной решеткой, это до сих пор оказалось очень сложной задачей. Основная причина этого заключается в том, что слабая спин-орбитальная связь и другие возмущения в этих материалах обычно приводят к обычному замораживанию спинов или магнитным состояниям.

Исследователи из Калифорнийского университета, Бостонского колледжа, Национальной лаборатории Ок-Риджа и Национального института стандартов и технологий недавно смогли создать квантово-неупорядоченное основное состояние в треугольном решеточном магните NaRuO₂. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, предполагают, что это состояние стало возможным благодаря совместному взаимодействию между спин-орбитальной связью и корреляционными эффектами в магнитном материале.

«Мы давно изучаем треугольные решетки, ища материалы, которые содержат то, что мы называем квантовыми неупорядоченными основными состояниями», — сказал Phys.org Стивен Д. Уилсон, один из исследователей, проводивших исследование. «Это состояния, в которых магнитные моменты каждого атома, каждый из которых находится в сети треугольников с общими ребрами, не могут упорядочиваться или застывают на месте даже при абсолютном нуле. Это нарушение порядка номинально связано с квантовыми флуктуациями, которые постоянно перемешивают моменты и служат для определения нового, внутренне неупорядоченного и динамического основного магнитного состояния».

Один из подходов к реализации квантовых основных состояний в материалах включает определение эффективных стратегий, позволяющих запутать орбитальную степень свободы отдельных электронов с их спиновой степенью свободы. В конечном итоге это может быть достигнуто за счет тщательного комбинирования различных элементов, например включения рутения (Ru) в соединения, которые также были включены в образец NaRuO₂ группы.

«Главная задача заключалась в том, чтобы сделать материал, который нас интересовал, NaRuO₂, чистым», — объяснил Уилсон. «Чтобы действительно проверить, что происходит в области квантового магнетизма, вам действительно нужно максимально удалить внешние факторы, такие как химические примеси. Как только мы сделали NaruO₂ достаточного качества, мы могли провести несколько экспериментов, все из которых они раскрывают немного больше о физике происходящего. Другими словами, вам нужно несколько разных окон, чтобы сформировать полную картину сложного материала».

После того, как они получили чистый образец NaRuO₂, Уилсон и его коллеги приступили к проведению серии тестов и экспериментов, чтобы лучше понять лежащую в его основе физику. Сначала они исследовали его, используя основные методы объемной характеристики, например, измерив его магнитную восприимчивость и теплоемкость вплоть до очень низких температур.

«Мы также провели более продвинутые эксперименты, такие как измерения неупругого рассеяния нейтронов и спиновой релаксации мюона», — сказал Уилсон. «Все эти зонды немного говорят нам о том, что делают магнитные моменты в NaRuO2 по мере того, как вы охлаждаетесь до его основного состояния, каждый на разной длине и в разных временных масштабах. Когда совокупная картина показывает вам, что магнитные моменты не упорядочиваются и вместо этого флуктуируют по мере того, как вы охлаждаетесь до температур намного ниже тех, где должны, вы можете начать рисовать картину квантового неупорядоченного основного состояния».

Эксперименты, проведенные Уилсоном и его коллегами, показали, что их тщательно разработанный образец NaRuO₂ демонстрировал изначально флуктуирующее магнитное основное состояние. При низких температурах спиновые возбуждения в материале создавали металлоподобный член в его теплоемкости и серию непрерывных возбуждений в рассеянии нейтронов, которые напоминали те, что связаны со спиновыми жидкими состояниями, ранее наблюдавшимися в магнетиках с треугольной решеткой.

«Наша работа демонстрирует, что треугольные решетки, построенные из запутанных спин-орбитальных ионов переходных металлов (например, Ru), могут быть очень интересными, и, что наиболее важно, анизотропные взаимодействия, необходимые для дестабилизации обычного магнитного порядка, могут быть реализованы в реальных материалах», — сказал Уилсон. «Мы показываем, что это может происходить даже в материалах, где сила магнитной обменной связи номинально довольно велика, как в случае с NaRuO₂».

Недавние теоретические исследования определили, что NaRuO₂ является строгим ферромагнитным режимом, а это означает, что доминирующие взаимодействия в материале должны направлять все моменты параллельно друг другу. Хотя ферромагнетизм было бы довольно легко обнаружить, результаты, полученные Уилсоном и его коллегами, предполагают, что его там нет, а скорее что-то еще происходит внутри этого соединения.

В будущем новые исследования могут помочь лучше понять физику этого увлекательного магнита с треугольной решеткой, потенциально способствуя разгадке этой тайны. Кроме того, недавняя работа этой группы исследователей может вдохновить на новые исследования, направленные на наблюдение состояний квантовой спиновой жидкости в других магнетиках с треугольной решеткой.

«Нашим следующим шагом будет попытка изготовить монокристаллы из этого материала», — добавил Уилсон. «Мы можем получить намного больше информации о физике, управляющей этим необычным материалом, когда мы сможем исследовать присущую ему анизотропию и другие эксперименты станут возможными как только будут получены монокристаллы, и в идеале выйти за рамки простого определения того, чем состояние не является, и вместо этого начать рисовать как более точную экспериментальную картину того, что представляет собой основное магнитное состояние».