Paige Kelley, um pesquisador de pós-doutorado com uma nomeação conjunta na Universidade do Tennessee e no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE), está usando nêutrons para estudar propriedades específicas do cristal que podem levar à realização de um líquido quântico de spin, um novo estado da matéria que pode formar a base das futuras tecnologias de computação quântica.

"Em um líquido de spin quântico, os spins flutuam continuamente devido aos efeitos quânticos e nunca entram em um arranjo estático ordenado, em contraste com os ímãs convencionais, "Kelley disse." Esses estados podem hospedar quasipartículas exóticas que podem ser detectadas por espalhamento inelástico de nêutrons. "

Recentemente, ela e sua equipe viram evidências dessas quasipartículas no tricloreto de alfa-rutênio, quando eles diluíram a amostra com uma pequena quantidade de irídio. O irídio, Kelley disse, suprime a ordem magnética intrínseca de longo alcance no tricloreto de rutênio puro, tornando possível estudar o estado líquido de spin.

A equipe realizou medições de difração de nêutrons de baixa temperatura usando o instrumento Difratômetro Four-Circle, linha de luz HB-3A, e o espectrômetro de eixo triplo de energia de incidente fixo (FIE-TAX), HB-1A, no reator de isótopo de alto fluxo (HFIR) de ORNL, um DOE Office of Science User Facility. Eles usaram os dois instrumentos para estudar a estrutura do cristal, estado fundamental magnético, e tamanhos de momento magnéticos em cristais únicos de tricloreto de rutênio substituído com irídio.

"Eu preparei cristais únicos nos quais uma pequena quantidade de rutênio foi substituída por íons de irídio não magnéticos e usei os instrumentos Four Circle e FIE-TAX para determinar como isso afetou a ordem magnética no sistema, "Kelley disse.

Quando uma pequena quantidade de irídio é incorporada, ela explicou, eles descobriram que o início do estado magneticamente ordenado ocorre a uma temperatura mais baixa do que no tricloreto de rutênio puro, e o estado de baixa temperatura mostra um tamanho de momento ordenado menor. Ambas as propriedades são indicadores da força das interações magnéticas convencionais no sistema.

"Ao adicionar irídio não magnético, estamos enfraquecendo a ordem de longo alcance que compete com o estado fundamental líquido de spin quântico no cloreto de rutênio, "A supressão da ordem magnética é definitivamente um passo na direção certa e abre a possibilidade de realizar um spin líquido quântico neste material com concentração suficiente de irídio."

O espalhamento de nêutrons provou ser ideal para a pesquisa de Kelley e sua equipe devido à maneira como os nêutrons se comportam dentro de materiais magnéticos.

"Porque os próprios nêutrons têm um spin, o espalhamento de nêutrons é muito mais sensível a momentos magnéticos devido a elétrons desemparelhados em uma amostra do que outras técnicas, como espalhamento de raios-x, "Kelley disse.

Antes de vir para ORNL, Kelley estudou nanotecnologia como pesquisador de pós-graduação na University of South Florida. Ela continua a fazer novas contribuições na física da matéria condensada e no campo crescente dos materiais quânticos.

"As excitações de quasipartículas em um líquido quântico de spin podem ser manipuladas para construir bits quânticos ou qubits, a unidade básica de computação quântica, "Kelley disse." Essa pesquisa pode levar a grandes avanços nesse campo. "