Открытие магнитного жидкого кристалла или первое прямое наблюдение спиновых квадрупольных моментов в спин-нематической фазе
Впервые в мире, группе исследователей удалось напрямую наблюдать спиновые квадруполи. Эта работа стала возможной благодаря замечательным достижениям последних десятилетий в разработке синхротронных установок. Учёные IBS сосредоточились на оксиде иридия Sr2IrO4 с квадратной решеткой, известном своим антиферромагнитным диполярным порядком при низких температурах. Обнаружено сосуществование спинового квадруполярного порядка, который становится наблюдаемым благодаря его интерференции с магнитным порядком. Этот интерференционный сигнал был обнаружен с помощью «круговой дихроичной резонансной рентгеновской дифракции» — передовой рентгеновской технологии, в которой используется рентгеновский луч с круговой поляризацией.
Вращайте полумоменты на квадратной решетке. Помимо классического антиферромагнитного порядка (классический АФ), спиновые моменты могут иметь различные основные магнитные состояния, такие как суперпозиция спин-синглетных конфигураций (резонансная валентная связь; RVB) или антиферромагнетик с большими квантовыми флуктуациями (квантовый АФ). В оксиде иридия Sr2IrO4 спиновые квадрупольные моменты сосуществуют со скошенным антиферромагнетическим порядком.
Фото: Институт фундаментальных наук.
Жидкий кристалл – это состояние вещества, проявляющее свойства как жидкости, так и твердого тела. Она может течь, как жидкость, при этом составляющие ее молекулы ориентированы, как в твердом теле. Жидкий кристалл в настоящее время широко используется, например, в качестве основного элемента ЖК-устройств.
Магнитный аналог такого материала получил название «спин-нематическая фаза», где роль молекул играют спиновые моменты. Однако, несмотря на предсказание, сделанное полвека назад, его до сих пор не наблюдали напрямую. Основная проблема связана с тем, что большинство традиционных экспериментальных методов нечувствительны к спиновым квадруполям, которые являются определяющими особенностями этой спин-нематической фазы.
Но теперь, впервые в мире, группе исследователей под руководством профессора Кима Бумджуна из Центра искусственных низкоразмерных электронных систем IBS в Южной Корее удалось напрямую наблюдать спиновые квадруполи. Эта работа стала возможной благодаря замечательным достижениям последних десятилетий в разработке синхротронных установок.
Исследователи IBS сосредоточили свои исследования на оксиде иридия Sr2IrO4 с квадратной решеткой, материале, ранее известном своим антиферромагнитным диполярным порядком при низких температурах. Это исследование недавно обнаружило сосуществование спинового квадруполярного порядка, который становится наблюдаемым благодаря его интерференции с магнитным порядком. Этот интерференционный сигнал был обнаружен с помощью «круговой дихроичной резонансной рентгеновской дифракции» — передовой рентгеновской технологии, в которой используется рентгеновский луч с круговой поляризацией.
Диполь-квадрупольная интерференция в круговой дихроичной резонансной дифракции рентгеновских лучей. (а) Спиновые квадрупольные моменты образуются при более высокой температуре (263 К), чем магнитные моменты (230 К). (b, c) При низких температурах интерференция спинового квадруполя и магнитных моментов проявляется в виде круговой дихроичной резонансной дифракции рентгеновских лучей - разности магнитных сигналов между левым и правым рентгеновскими пучками.
Фото: Институт фундаментальных наук.
Дальнейшее подтверждение этого открытия произошло посредством «резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей с поляризационным разрешением», где было обнаружено, что магнитные возбуждения значительно отклоняются от поведения, ожидаемого для обычных магнитов.
Для завершения этих экспериментов исследователи из Южной Кореи в сотрудничестве с Аргоннской национальной лабораторией в США в течение последних четырех лет построили линию резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей в ускорительной лаборатории Пхохана.
И последнее, но не менее важное: исследователи использовали ряд оптических методов, включая рамановскую спектроскопию и измерение магнитооптического эффекта Керра, чтобы показать, что формирование спиновых квадрупольных моментов происходит при более высоких температурах, чем магнитный порядок. В этом диапазоне температур оксид иридия имеет только спиновые квадрупольные моменты, но не имеет магнитного порядка, реализуя спин-нематическую фазу.
В совокупности это первое прямое наблюдение спиновых квадрупольных моментов в спин-нематической фазе.
(а, b) Чертеж (а) и фотография (b) спектрометра резонансного неупругого рентгеновского рассеяния, установленного на канале 1С PLS-II.
Фото: Институт фундаментальных наук.
«Это исследование стало осуществимым, потому что инфраструктура и возможности рентгеновских экспериментов в Южной Корее достигли мирового конкурентоспособного уровня», — говорит профессор Ким Бумджун, автор исследования.
«Открытие спин-нематической фазы также имеет важное значение для квантовых вычислений и информационных технологий», — добавляет профессор Чо Гил Янг, соавтор этого исследования и профессор Университета науки и технологий Пхохана.
Еще одним интересным аспектом спин-нематической фазы является ее потенциал высокотемпературной сверхпроводимости. В спин-нематической фазе спины сильно запутаны, что было предположено физиком П. У. Андерсоном как важнейший ингредиент высокотемпературной сверхпроводимости.
Кроме того, учитывая, что оксид иридия Sr2IrO4 широко изучается из-за его поразительного сходства с высокотемпературной сверхпроводящей системой оксида меди, что подогревает растущий интерес к этому материалу как к потенциально новой высокотемпературной сверхпроводящей системе, а также как его отношение к спин-нематической фазе.
Результаты опубликованы в журнале Nature.
