通过在BER II中子源及其高场磁体上的实验，研究人员在极端磁场下发现了材料SrCu2(BO3)2的新量子态。本研究确定了一个类似玻色子库珀对凝聚的自旋向列相，强调了中子散射在探索量子材料未知方面的效用，为在强挫折条件下复杂的多体系统提供了见解。来源:SciTechDaily.com
在磁场作用下，量子磁性材料可以产生新的有序状态。现在，一个国际团队通过在柏林中子源BER II及其高场磁体上的实验，对物质的这些特殊状态有了新的认识。BER II一直服务于科学研究，直到2019年底，此后一直关闭。BER II的数据结果仍在发表中。
“我们在2019年11月进行了测量，我们的实验是在BER的高场磁体上进行的最后一次实验之一，”艾伦·福格博士指出。这位物理学家在瑞士洛桑理工学院(EPFL)的量子磁性实验室领导了一个团队，并与来自日本、卡塔尔和瑞士的同事合作，发表了关于量子材料的有趣新见解。
她说:“物质中的许多效应只有在极端条件下才会显现出来，比如温度接近零开尔文，磁场高于20特斯拉。”研究这些效应的最佳地点是中子源BER II, HZB团队在那里建立了一个独特的高场磁体，达到近26特斯拉。
自旋对方向正交的二维自旋晶格示意图。结合的磁振子对由红/蓝和绿色风车表示。来源:欧洲
数据解释的挑战
“评估花了很多时间，”她说。这是因为中子散射数据不能自动提供图像，而必须加以解释。这需要令人信服的理论模型。“我们和一组理论家打了一场乒乓球，但现在我们有了一些非常有趣的结果。”
Fogh和他的团队分析了SrCu2(BO3)2的样品，这是一个二维自旋系统中理想受挫的模型系统。它由正交排列在方形晶格上的自旋对组成，并以不同的方式相互影响。这种“理想受挫”的几何导致了许多非常规的效应，这些效应是用纠缠量子态及其激发(磁振子)来描述的。这种材料中的磁序通常被描述为磁振子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。
在最后一次测量中，物理学家在BER II的高场磁体前。一些团队成员并没有对这篇论文(环境压力)做出贡献，而是为下一篇关于高压下模型系统行为的出版物做出了贡献。从左至右依次为:宗田浩司、Kakurai Kazuhisa、gaastan Giriat、Luc Testa、Jana Pásztorová、Ellen Fogh和Henrik M. R?nnow。来源:欧洲/ HZB
福格说:“我们想知道在高磁场下，这种磁振子BEC是否也会出现在我们的模型系统中，或者是否存在另一种机制。”在BER II高场磁体上的中子散射实验非常适合这一目的:“我们能够测量SrCu2(BO3)2高达25.9 T的自旋激发，并使用理论模型以高精度再现实验光谱。”实验是在接近绝对零度的环境压力和温度下进行的，温度为200毫开尔文。
对测量数据的分析和解释表明，在这些极高的磁场下形成了自旋向列相。代替单磁振子的是束缚的磁振子对在这个相中凝聚。甚至还有一个与超导的类比，表明SrCu2(BO3)2中的自旋向列相最好被理解为玻色子库珀对的凝聚。
结果表明，极高磁场下的中子散射实验可以用于探索以前未知的物质区域，特别是多体系统的相关相。福格总结道:“在强烈的挫败感和受控制的极端情况下，仍然可以找到许多新的国家和秩序。”
参考文献:“由高达25.9 T的中子散射揭示的SrCu2(BO3)2的场诱导结合态和自旋向列相”，作者:Ellen Fogh, Mithilesh Nayak, Oleksandr Prokhnenko, Maciej Bartkowiak, Koji Munakata, jianrui Soh, Alexandra A. Turrini, Mohamed E. Zayed, Ekaterina Pomjakushina, Hiroshi Kageyama, Hiroyuki Nojiri, Kazuhisa Kakurai, Bruce Normand, fracimd
Mila和Henrik M. R?nnow, 2024年1月10日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 44115 - z
