Sciencemag.cz
Doporučujeme
„Spin-nematická fáze“ má představovat obdobu kapalných krystalů ve světě magnetismu . Znamená stav, kdy některé spiny jsou uspořádané (jako „pevná látka“) a jiné malé oblasti jsou v tomto ohledu chaotické (jako „kapalina“). Existence tohoto stavu hmoty byla předpovězena již před půl stoletím, dosud však nebyl přímo pozorován.
Hlavní problém spočíval v tom, že většina běžných experimentálních technik je necitlivá na spinové kvadrupóly, které jsou pro tuto spin-nematickou fázi charakteristické.
Nyní se však poprvé podařilo týmu vědců vedenému profesorem Kimem Bumjoonem z Institute for Basic Science (IBS) v Jižní Koreji spinové kvadrupóly detekovat.
Výzkumníci z IBS se zaměřili na studium čtvercové mřížky oxidu stroncia a iridia Sr2IrO4 (oxid strontnato-iridičitý; nebo sloučenině spíše říkat iridičitan?), materiálu, který byl již dříve studován, protože za nízkých teplot má antiferomagnetickou dipolární strukturu. Nová studie zde objevila koexistenci spinového kvadrupolárního uspořádání. Pozorování bylo provedeno pomocí cirkulárně dichroické rezonanční rentgenové difrakce (‚circular-dichroic resonant X-ray diffraction), což je pokročilá rentgenová technika využívající kruhově polarizovaný rentgenový svazek.
Další ověření tohoto objevu přinesl polarizačně rozlišený rezonanční nepružný rozptyl rentgenového záření (polarization-resolved resonant inelastic X-ray scattering), při němž se ukázalo, že magnetické excitace se výrazně odchylují od chování předpokládaného pro excitace v běžných typech magnetických materiálů.
Výzkumníci rovněž použili řadu optických technik, včetně Ramanovy spektroskopie a měření magnetooptického Kerrova jevu, aby prokázali, že ke vzniku spinových kvadrupólových momentů dochází při vyšších teplotách než při magnetickém uspořádání. V tomto teplotním rozmezí má oxid pouze spinové kvadrupólové momenty, ale žádný magnetický řád, čímž se právě realizuje spin-nematická fáze.
Celkově se tak podle autorů studie jedná o první přímé pozorování spinových kvadrupólových momentů ve spin-nematické fázi.
„Objev spin-nematické fáze má významné důsledky pro kvantové počítače a informační technologie obecně,“ uvádí spoluautor studie Cho Gil Young z Pohang University of Science and Technology. Dalším zajímavým aspektem spin-nematické fáze je její potenciál pro vysokoteplotní supravodivost. Ve spin-nematické fázi jsou spiny vysoce provázané, což fyzik P. W. Anderson navrhl jako kritickou složku pro vysokoteplotní supravodivost. Oxid Sr2IrO4 byl již intenzivně studován mj. i kvůli své nápadné podobnosti s vysokoteplotními supravodiči na bázi oxidu měďnatého.
B. J. Kim, Quantum spin nematic phase in a square-lattice iridate, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06829-4. www.nature.com/articles/s41586-023-06829-4
Zdroj: Institute for Basic Science / Phys.org, přeloženo/zkráceno
Spinové momenty na čtvercové mřížce. Kromě klasického antiferomagnetického uspořádání (classical AF) mohou mít spinové momenty různé magnetické základní stavy, jako je superpozice spin-singlet konfigurací (rezonanční valenční vazba, resonant valence bond; RVB) nebo antiferomagnet s velkými kvantovými fluktuacemi (quantum AF). V podvojném oxidu Sr2IrO4 koexistují spinové kvadrupólové momenty se šikmým uspořádáním antiferomagnetu. Credit: Institute for Basic Science
