Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge usaram espalhamento de nêutrons para determinar se a estrutura atômica de um material específico poderia hospedar um novo estado da matéria chamado líquido de spin espiral. Ao rastrear pequenos momentos magnéticos conhecidos como "spins" na rede de favo de mel de um ímã de tricloreto de ferro em camadas, a equipe encontrou o primeiro sistema 2D a hospedar um líquido de rotação espiral.
A descoberta fornece um banco de testes para futuros estudos de fenômenos físicos que podem impulsionar as tecnologias de informação da próxima geração. Isso inclui fractons, ou vibrações quantizadas coletivas que podem ser promissoras na computação quântica, e skyrmions, ou novas texturas de spin magnético que podem avançar no armazenamento de dados de alta densidade.

"Os materiais que hospedam líquidos de spin espiral são particularmente interessantes devido ao seu potencial de serem usados ​​para gerar líquidos de spin quântico, texturas de spin e excitações de frações", disse Shang Gao, do ORNL, que liderou o estudo publicado em Physical Review Letters .

Uma teoria de longa data previu que a rede do favo de mel pode hospedar um líquido de spin espiral - uma nova fase da matéria na qual os spins formam estruturas flutuantes semelhantes a saca-rolhas.

No entanto, até o presente estudo, faltavam evidências experimentais dessa fase em um sistema 2D. Um sistema 2D compreende um material cristalino em camadas em que as interações são mais fortes na direção planar do que na direção de empilhamento.

Gao identificou o tricloreto de ferro como uma plataforma promissora para testar a teoria, proposta há mais de uma década. Ele e o co-autor Andrew Christianson do ORNL abordaram Michael McGuire, também do ORNL, que trabalhou extensivamente no cultivo e estudo de materiais 2D, perguntando se ele sintetizaria e caracterizaria uma amostra de tricloreto de ferro para medições de difração de nêutrons. Como as camadas de grafeno 2D existem em grafite a granel como treliças de favo de carbono puro, as camadas de ferro 2D existem em tricloreto de ferro a granel como camadas de favo de mel 2D. "Relatórios anteriores sugeriram que este interessante material de favo de mel poderia mostrar um comportamento magnético complexo em baixas temperaturas", disse McGuire.

"Cada camada de favo de ferro tem átomos de cloro acima e abaixo dela, fazendo placas de cloro-ferro-cloro", disse McGuire. "Os átomos de cloro no topo de uma laje interagem muito fracamente com os átomos de cloro na parte inferior da laje seguinte através da ligação de van der Waals. . Isso é útil para desenvolver dispositivos e entender a evolução da física quântica de três dimensões para duas dimensões."

Em materiais quânticos, os spins dos elétrons podem se comportar de forma coletiva e exótica. Se um giro se move, todos reagem — um estado emaranhado que Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância". O sistema permanece em um estado de frustração – um líquido que preserva a desordem porque os spins dos elétrons mudam constantemente de direção, forçando outros elétrons emaranhados a flutuar em resposta.

Os primeiros estudos de difração de nêutrons de cristais de cloreto férrico foram realizados no ORNL há 60 anos. Hoje, a extensa experiência do ORNL em síntese de materiais, imagens, dispersão de nêutrons, teoria, simulação e computação permite explorações pioneiras de materiais quânticos magnéticos que impulsionam o desenvolvimento de tecnologias de próxima geração para segurança e armazenamento de informações.

O mapeamento dos movimentos de rotação no líquido de rotação espiral foi possibilitado por especialistas e ferramentas nas instalações do usuário do Spallation Neutron Source e do High Flux Isotope Reactor, DOE Office of Science no ORNL. Os coautores do ORNL foram essenciais para o sucesso dos experimentos de espalhamento de nêutrons:Clarina dela Cruz, que liderou experimentos usando o difratômetro POWDER da HFIR; Yaohua Liu, que liderou experimentos empregando o espectrômetro CORELLI da SNS; Matthias Frontzek, que liderou experimentos envolvendo a WAND do HFIR ² difratômetro; Matthew Stone, que liderou experimentos operando o espectrômetro SEQUOIA do SNS; e Douglas Abernathy, que liderou experimentos trabalhando no espectrômetro ARCS do SNS.

"Os dados de dispersão de nêutrons de nossas medições no SNS e HFIR forneceram evidências convincentes de uma fase líquida de spin espiral", disse Gao.

"Os experimentos de dispersão de nêutrons mediram como os nêutrons trocam energia e momento com a amostra, permitindo que as propriedades magnéticas sejam inferidas", disse o coautor Matthew Stone. Ele descreveu a estrutura magnética de um líquido de spin espiral:"Parece um mapa topográfico de um grupo de montanhas com um monte de anéis indo para fora. Se você andasse ao longo de um anel, todos os spins apontariam na mesma direção. Mas se você caminhar para fora e cruzar anéis diferentes, verá esses giros começarem a girar em torno de seus eixos. Essa é a espiral.

“Nosso estudo mostra que o conceito de um líquido de rotação espiral é viável para a ampla classe de materiais de treliça de favo de mel”, disse o coautor Andrew Christianson. “Isso dá à comunidade uma nova rota para explorar texturas de spin e novas excitações, como fractons, que podem ser usadas em aplicações futuras, como computação quântica”.

O título do artigo é "Spiral Spin Liquid on a Honeycomb Lattice". + Explorar mais

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