اولین مشاهده مستقیم گشتاورهای چهار قطبی اسپین در فاز اسپین-نماتیکی

کریستال مایع حالتی از ماده است که خواص مایع و جامد را از خود نشان می دهد. در حالی که مولکول های تشکیل دهنده آن مانند یک جامد مرتب شده اند، می تواند مانند یک مایع جریان یابد. کریستال مایع این روزها به طور گسترده استفاده می شود، به عنوان مثال به عنوان عنصر اصلی دستگاه های LCD.

آنالوگ مغناطیسی این نوع مواد «فاز اسپین-نماتیک» نامیده می‌شود که در آن ممان‌های اسپین نقش مولکول‌ها را بازی می‌کنند. با این حال، علیرغم پیش بینی آن در نیم قرن پیش، هنوز به طور مستقیم مشاهده نشده است. چالش اصلی از این واقعیت ناشی می‌شود که اکثر تکنیک‌های تجربی مرسوم نسبت به چهارقطبی‌های اسپین حساس نیستند، که ویژگی‌های تعیین‌کننده این فاز اسپین-نماتیکی هستند.

اما اکنون، برای اولین بار در جهان، تیمی از محققان به سرپرستی پروفسور کیم بامجون در مرکز IBS برای سیستم‌های الکترونیکی مصنوعی با ابعاد پایین در کره جنوبی توانسته‌اند به طور مستقیم چهارقطبی‌های چرخشی را مشاهده کنند. این کار با دستاوردهای چشمگیر دهه های اخیر در توسعه تاسیسات سنکروترون امکان پذیر شد.

محققان IBS تحقیقات خود را بر روی اکسید ایریدیوم Sr با یک شبکه مربع متمرکز کردند₂IrO₄موادی که قبلاً به دلیل نظم دوقطبی ضد فرومغناطیسی در آن شناخته شده بود دمای پایین. این مطالعه اخیراً همزیستی نظم چهار قطبی اسپین را کشف کرده است که از طریق تداخل آن با نظم مغناطیسی قابل مشاهده است. این سیگنال تداخل با “پراش پرتو ایکس تشدید دو رنگی دایره ای”، یک تکنیک پیشرفته اشعه ایکس با استفاده از یک پرتو اشعه ایکس قطبی دایره ای شناسایی شد.

تأیید بیشتر این یافته از طریق “پراکندگی غیرالاستیک پرتو ایکس تشدید شده با پلاریزاسیون” انجام شد، جایی که مشخص شد که تحریکات مغناطیسی به طور قابل توجهی از رفتار مورد انتظار برای آهنرباهای معمولی منحرف شده است.

برای تکمیل این آزمایشات، محققان در کره جنوبی با آزمایشگاه ملی آرگون در ایالات متحده برای ساخت یک خط پراکندگی پرتو ایکس غیرالاستیک تشدید کننده در آزمایشگاه شتاب دهنده پوهانگ در چهار سال گذشته همکاری کردند.

آخرین اما نه کم‌اهمیت، محققان از یک سری تکنیک‌های نوری، از جمله طیف‌سنجی رامان و اندازه‌گیری اثر مغناطیسی نوری کر استفاده کردند تا نشان دهند که تشکیل گشتاورهای چهار قطبی اسپین در دماهای بالاتر از مرتبه مغناطیسی اتفاق می‌افتد. در این محدوده دمایی، اکسید ایریدیوم فقط دارای گشتاورهای چهار قطبی اسپینی است اما نظم مغناطیسی ندارد و فاز اسپین-نماتیکی را به وجود می آورد.

در مجموع، این اولین مشاهده مستقیم گشتاورهای چهارقطبی اسپین در فاز اسپین-نماتیکی است.

پروفسور کیم بومجون، نویسنده مسئول این مطالعه گفت: “این تحقیق امکان پذیر بود زیرا زیرساخت ها و قابلیت های آزمایش های اشعه ایکس در کره جنوبی به سطح رقابتی جهانی رسیده بود.”

«کشف فاز اسپین نماتیک نیز پیامدهای مهمی برای آن دارد محاسبات کوانتومی پروفسور چو گیل یونگ، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد دانشگاه علم و فناوری پوهانگ افزود.

یکی دیگر از جنبه های هیجان انگیز فاز اسپین نماتیک پتانسیل آن برای ابررسانایی در دمای بالا است. در مرحله اسپین نماتیک، اسپین ها به شدت درهم می روند که توسط فیزیکدان پی دبلیو اندرسون به عنوان یک عنصر حیاتی برای ابررسانایی دمای بالا.

علاوه بر این، با توجه به اینکه اکسید ایریدیوم Sr₂IrO₄ به دلیل شباهت های قابل توجه آن با سیستم ابررسانا اکسید مس با دمای بالا، به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است، که باعث علاقه فزاینده به این ماده به عنوان یک سیستم ابررسانا با دمای بالا بالقوه جدید و همچنین رابطه آن با فاز اسپین نماتیک شده است.

یافته ها هستند منتشر شده در دفتر خاطرات طبیعت.