중성자는 요오드화 철의 신비한 자력 뒤에 숨겨진 40 년 된 미스터리를 조립합니다.

연구원 Xiaojian Bai와 동료들은 ORNL의 Spallation Neutron 소스에서 중성자를 사용하여 1929 년에 발견 된 상당히 단순한 요오드화 철 물질에서 숨겨진 양자 변동을 발견했습니다. 연구는 많은 유사한 자성 물질이 발견되기를 기다리는 양자 특성을 가질 수 있음을 나타냅니다. 크레딧 : ORNL / Genevieve Martin

새로운 속성을 가진 고급 재료는 항상 재료 목록에 더 많은 항목을 추가하여 개발됩니다. 그러나 양자 연구에 따르면 더 단순한 물질 중 일부는 실제로 과학자들이 아직 볼 수없는 고급 특성을 가질 수 있습니다.


Georgia Tech와 University of Tennessee Knoxville의 연구원들은 다소 단순한 FeI (Iron Iodide) 물질에서 숨겨진 예상치 못한 양자 행동을 발견했습니다.2거의 1 세기 전에 발견되었습니다. DOE의 DOE (Oak Ridge National Laboratory) (ORNL)에서 중성자 산란 실험과 이론 물리학 계산을 조합하여 재료의 거동에 대한 새로운 연구 통찰력을 얻을 수있었습니다.

팀 결과-저널에 게재 자연 물리학물질의 신비한 행동에 대한 40 년 된 퍼즐을 풀고 다른 물질의 양자 현상에 대한 보물 창고를 잠금 해제하는지도로 사용할 수 있습니다.

신문의 제 1 저자 인 샤오 젠 바이는 “우리의 발견은 대부분 호기심에 의해 주도됐다”고 말했다. Bay는 박사 학위를 받았습니다. Georgia Tech에서 중성자를 사용하여 연구하는 ORNL에서 박사후 연구원으로 일하고 있습니다. 자성 재료. “저는 2019 년에 박사 학위 논문 프로젝트의 일환으로이 요오드화 철 물질을 발견했습니다. 소위”좌절 된 자기 “를 나타내는 삼각형 자기 격자 배열을 가진 화합물을 찾으려고했습니다.

냉장고 자석과 같은 일반적인 자석에서 물질의 전자는 모두 같은 방향 (위 또는 아래)을 가리 키거나 위와 아래를 번갈아 가며 가리키는 화살표와 같은 선으로 배열됩니다. 전자가 가리키는 방향을 “스핀”이라고합니다. 그러나 요오드화 철과 같은 더 복잡한 물질에서 전자는 삼각형 네트워크에 배열되어 있습니다. 여기서 자기력은 3 개의 자기 모멘트 사이를 간섭하고 어느 방향을 향해야할지 확실하지 않습니다. 따라서 “단절된 자기”가 발생합니다.

“모든 문헌을 읽으면서 1929 년에 발견되어 1970 년대와 1980 년대에 상당히 광범위하게 연구 된 요오드화 철이라는 화합물을 발견했습니다.”라고 Bay는 말했습니다. “당시 그들은 틀에 얽매이지 않는 특성이나 행동 패턴을 보았지만 그 이유를 완전히 이해할 수있는 자원이 없었습니다. 그래서 우리는 이상하고 흥미로운 것이 해결되지 않았 음을 알게되었고이를 40 년과 비교했습니다. 이전에는 도구가 있습니다. 더 효과적인 실험을 사용할 수 있으므로이 문제를 재고하기로 결정하고 몇 가지 새로운 아이디어를 제시하고자합니다. ”

양자 물질은 종종 이상한 행동을 보이고 고전적인 물리 법칙을 깨뜨리는 시스템으로 묘사됩니다. 액체처럼 행동하는 고체, 물처럼 움직이고 동결 온도에서도 움직임을 멈추거나 멈추는 것을 거부하는 입자가 있습니다. 이러한 이상한 현상이 어떻게 작동하는지 또는 기본 메커니즘을 이해하는 것은 전자 제품을 개발하고 다른 차세대 기술을 개발하는 데 중요합니다.

Martin Moregal은“양자 물질에는 액체, 고체, 기체와 같은 물질의 위상과 음파와 같은 위상의 여기가 매우 중요한 두 가지가 있습니다. 마찬가지로 스핀파는 자기 고체,”조지아 공과 대학 물리학 교수. 오랫동안 양자 물질에 ​​대한 우리의 탐구는 이상한 위상을 찾는 것이었지만이 연구에서 우리가 자문 한 질문은“상 자체가 이상해 보이지 않을 수도 있지만 흥분된다면 어떨까요? “그리고 이것은 우리가 이미 찾은 것입니다.”

중성자는 자성을 연구하는 데 이상적인 센서입니다. 왜냐하면 이들은 다시 마이크로 자석으로 작용하고 다른 자성 입자와 상호 작용하고 물질의 원자 구조를 손상시키지 않고 여기를 자극하는 데 사용될 수 있기 때문입니다.

Bay는 Georgia Tech의 Mourigal 대학원생으로 중성자에 대해 알게되었습니다. Mourigal은 ORNL의 High Flux Isotope Reactor (HFIR) 및 Spallation Neutron Source (SNS)에서 수년 동안 중성자 산란을 자주 사용했으며, 에너지 부 과학실의 사용자 시설을 사용하여 광범위한 양자 물질과 그에 대한 연구를 수행했습니다. 다양하고 독특한 행동.

Bay와 Morigal이 중성자 빔에 요오드화 철을 노출 시켰을 때, 그들은 단일 전자의 자기 모멘트와 관련된 특정 여기 또는 에너지 범위를 볼 것으로 예상했습니다. 대신, 그들은 동시에 나타나는 두 가지 다른 양자 변동을 보지 못했습니다.

베이는 “중성자는 우리가이 미묘한 진동을 매우 명확하게 볼 수있게 해주었다”며 “우리는 여기의 전체 스펙트럼을 측정 할 수 있지만, 겉보기에 고전적인 단계에서 왜 그런 비정상적인 행동을 보는지 이해하지 못한다”고 말했다.

그들은 이론 물리학자인 Christian Batista, 테네시-녹스빌 대학의 링컨 교수, 중성자 산란에 대한 추가 자원과 전문 지식을 방문 연구원에게 제공하는 중성자 과학 공동 연구소 인 ORNL의 Scholl Wulan Center 부국장에게 문의했습니다.

중성자는 요오드화 철의 신비한 자력 뒤에 숨겨진 40 년 된 미스터리를 조립합니다.

Pi (위)에 의해 유지되는 요오드화 철의 작은 샘플을 합성하고 재료의 기본 자기 여기를 측정하는 데 사용 된 중성자 산란 실험을 위해 준비했습니다. 크레딧 : ORNL / Genevieve Martin

Batista와 그의 그룹의 도움으로 팀은 신비한 양자 진동 동작의 수학적 모델을 개발할 수 있었고 SNS에서 CORELLI 및 SEQUOIA 도구를 사용하여 추가 중성자 실험을 수행 한 후이를 유발하는 메커니즘을 확인할 수있었습니다. 발생합니다. 보여줍니다.

“이론이 예측하고 중성자를 사용하여 확인할 수 있었던 것은 두 전자 사이에서 회전 방향이 반전 될 때이 이상한 변동이 발생한다는 것입니다. 자기 순간 “반대 방향으로 기울이십시오.”라고 Batista는 말했습니다. 중성자가 전자의 스핀과 상호 작용할 때 스핀은 공간의 특정 방향을 따라 동시에 회전합니다. 중성자의 산란으로 인한이 안무는 스핀파를 만듭니다. ”

그는 다양한 자료에서 전자 과정은 다양한 유형의 다양한 방향과 안무를 취할 수 있다고 설명했습니다. 스핀 웨이브. 양자 역학에서이 개념은 “파동 입자 이중성”으로 알려져 있으며, 새로운 파동은 새로운 입자로 간주되며 일반적으로 정상 조건에서 중성자의 산란으로부터 숨겨집니다.

“어떤 의미에서 우리는 어두운 입자를 찾고 있습니다.”라고 Batista는 덧붙였습니다. “우리는 그것들을 볼 수 없지만 우리는 그 효과를 볼 수 있거나 우리가 볼 수있는 입자와의 상호 작용을 볼 수 있기 때문에 존재한다는 것을 압니다.”

Bay는 “양자 역학에서는 파동과 입자 사이에 차이가 없습니다. 우리는 파장을 기반으로 한 입자의 거동을 이해하고 있으며 이것이 중성자가 측정 할 수있게 해주는 것”이라고 말했습니다.

Moregal은 중성자가 입자를 감지하는 방식을 바다 표면의 암석 주변의 굴절 파에 비유했습니다.

“정체 된 물에서는 파도가 그 위로 이동할 때까지 우리는 바다 밑바닥에있는 바위를 볼 수 없습니다”라고 Moregal은 말했습니다. 중성자와 가능한 한 많은 파동을 만들어서 크리스챤의 이론을 통해 샤오 지안은 암석 또는이 경우 미묘한 변동을 보이게하는 상호 작용을 식별 할 수있었습니다.

양자 자기 행동을 활용하는 것은 이미 자기 공명 영상 기계와 개인용 컴퓨팅을 자극 한 자기 하드 디스크 스토리지와 같은 기술 발전으로 이어졌습니다. 더 이국적인 양자 물질은 다음 기술의 물결을 가속화 할 수 있습니다.

Bai, Moregal, Batista 외에도이 논문의 저자는 Shang-Shun Zhang, Chilling Dunn, Hao Zhang, Cheng Huang, Haidong Zuo, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, Feng Yi 등이 있습니다.

발견 이후, 팀은 이러한 통찰력을 사용하여 가장 유망한 결과를 얻을 것으로 예상되는 광범위한 자료 세트에서 예측을 개발하고 테스트했습니다.

“우리가 물질에 더 많은 구성 요소를 도입함에 따라 혼란과 이질성과 같은 잠재적 인 문제도 증가합니다. 우리가 정말로 깨끗한 물질 기반 양자 기계 시스템을 이해하고 만들고 싶다면 이러한 단순한 시스템으로 돌아가는 것이 우리보다 더 중요 할 수 있습니다. 생각했습니다.”Moregal이 말했다.

“이것은 요오드화 철의 신비한 흥분에 대한 40 세의 수수께끼를 해결한다”고 Bai는 말했다. “오늘날 우리는 대규모로 발전 할 수있는 이점이 있습니다. 중성자 기본적으로 물질의 전체 에너지와 운동량을 조사하여 이러한 이상한 자극으로 무슨 일이 일어나고 있는지 확인할 수있는 SNS와 같은 시설입니다.

“이제이 특이한 행동이 상대적으로 단순한 문제에서 어떻게 작용하는지 이해 했으므로 우리는 더 복잡한 물질에서 무엇을 찾을 수 있는지 상상할 수 있습니다. 우리는이 새로운 이해를 자극했으며 바라건대 과학계가 이러한 유형의 물질을 더 많이 조사하도록 자극 할 것입니다. 확실히 물리학으로 이어질 것입니다. 더 흥미 롭습니다. ”


중성자는 바소 라이트 구리 광물에서 양자 얽힘을 추적합니다.


추가 정보:
Xiaojian Bai et al, FeI2 회전 이방성 포일 자석의 하이브리드 사중 극자 여기, 자연 물리학 (2021). DOI : 10.1038 / s41567-020-01110-1

인용구: 중성자는 요오드화 철의 신비한 자기 뒤에 40 년의 미스터리를 모으다 (2021 년 5 월 20 일) 2021 년 5 월 20 일 https://phys.org/news/2021-05-neutrons-piece-year-puzzle-iron에서 검색 -iodide 프로그래밍 언어

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