Les neutrons rassemblent le mystère vieux de 40 ans derrière le mystérieux magnétisme de l’iodure de fer

Le chercheur Xiaojian Bai et ses collègues ont utilisé des neutrons dans la source de neutrons de spallation de l’ORNL pour découvrir des fluctuations quantiques cachées dans une substance assez simple d’iodure de fer qui a été découverte en 1929. La recherche indique que de nombreux matériaux magnétiques similaires pourraient avoir des propriétés quantiques en attente d’être découvertes. Crédit: ORNL / Genevieve Martin

Les matériaux avancés avec de nouvelles propriétés sont toujours développés en ajoutant plus d’articles à la liste d’ingrédients. Mais la recherche quantique indique que certains des matériaux les plus simples peuvent en effet avoir des propriétés avancées que les scientifiques ne peuvent pas encore voir.


Des chercheurs de Georgia Tech et de l’Université du Tennessee Knoxville ont dévoilé un comportement quantique caché et inattendu dans un matériau d’iodure de fer (FeI) plutôt simple.2Il a été découvert il y a près d’un siècle. De nouvelles connaissances de recherche sur le comportement des matériaux ont été permises en utilisant une combinaison d’expériences de diffusion de neutrons et de calculs de physique théorique au DOE Oak Ridge National Laboratory (DOE) (ORNL).

Résultats de l’équipe – publiés dans la revue Physique de la natureRésout un puzzle vieux de 40 ans sur le comportement mystérieux de la matière et peut être utilisé comme une carte pour débloquer un trésor de phénomènes quantiques dans d’autres matériaux.

«Notre découverte a été en grande partie motivée par la curiosité», a déclaré Xiao Jianbai, premier auteur du journal. Bay a obtenu son doctorat. À Georgia Tech et travaille comme chercheur postdoctoral à l’ORNL, où il utilise les neutrons pour étudier Matériaux magnétiques. « Je suis tombé sur ce matériau d’iodure de fer en 2019 dans le cadre de mon projet de thèse de doctorat. J’essayais de trouver des composés avec un arrangement de réseau magnétique triangulaire qui présentent un soi-disant » magnétisme frustré « .

Dans les aimants courants, tels que les aimants de réfrigérateur, les électrons du matériau sont disposés en une ligne comme des flèches qui pointent toutes dans la même direction – vers le haut ou vers le bas – ou alternent entre le haut et le bas. Les directions vers lesquelles les électrons pointent sont appelées « spin ». Mais dans des matériaux plus complexes tels que l’iodure de fer, les électrons sont disposés en un réseau triangulaire, où les forces magnétiques interfèrent entre les trois moments magnétiques et ne savent pas dans quelle direction diriger – d’où le «magnétisme frustré».

«En lisant toute la littérature, j’ai remarqué ce composé, l’iodure de fer, qui a été découvert en 1929 et étudié assez largement dans les années 1970 et 1980», a déclaré Bay. «À ce moment-là, ils ont vu des traits ou des modèles de comportement non conventionnels, mais ils n’avaient vraiment pas les ressources pour comprendre pleinement pourquoi ils l’avaient vu. Nous avons donc appris que quelque chose d’étrange et d’intéressant n’était pas résolu, et en le comparant à quarante ans. il y a quelques années, nous avons des outils expérimentaux. Des outils plus efficaces sont disponibles, nous avons donc décidé de reconsidérer ce problème et espérons présenter de nouvelles idées.  »

Les matériaux quantiques sont souvent décrits comme des systèmes qui présentent un comportement étrange et enfreignent les lois classiques de la physique – comme un solide qui se comporte comme un liquide, avec des particules qui se déplacent comme de l’eau et refusent de geler ou d’arrêter le mouvement même à des températures glaciales. Comprendre le fonctionnement de ces phénomènes étranges, ou leurs mécanismes de base, est essentiel pour développer l’électronique et développer d’autres technologies de nouvelle génération.

Martin Moregal a déclaré: «Dans les matériaux quantiques, il y a deux choses d’une grande importance: les phases de la matière telles que les liquides, les solides et les gaz, et l’excitation de ces phases, telles que les ondes sonores. De même, les ondes de spin sont des excitations d’un solide magnétique », professeur de physique au Georgia Institute For technology. Pendant longtemps, notre quête dans les matériaux quantiques a été de trouver des phases étranges, mais la question que nous nous sommes posée dans cette recherche est: «Peut-être que la phase elle-même n’était pas apparemment étrange, mais que se passerait-il si l’excitation l’était? « Et c’est ce que nous avons déjà trouvé. »

Les neutrons sont des capteurs idéaux pour étudier le magnétisme, car ils agissent à leur tour comme des aimants microscopiques et peuvent être utilisés pour interagir avec et exciter d’autres particules magnétiques sans compromettre la structure atomique de la matière.

Bay s’est familiarisé avec les neutrons alors qu’il était étudiant diplômé à Mourigal à Georgia Tech. Mourigal est un utilisateur fréquent de la diffusion de neutrons dans le réacteur isotopique à haut flux (HFIR) d’ORNL et la source de neutrons de spallation (SNS) depuis plusieurs années, en utilisant les installations des utilisateurs du bureau des sciences du ministère de l’Énergie pour étudier une large gamme de matériaux quantiques et leur comportements divers et particuliers.

Lorsque Bay et Morigal ont exposé de l’iodure de fer à un faisceau de neutrons, ils s’attendaient à voir une certaine excitation ou une gamme d’énergie associée à un moment magnétique d’un seul électron; Au lieu de cela, ils n’ont pas vu deux fluctuations quantiques différentes émerger simultanément.

« Les neutrons nous ont permis de voir très clairement cette subtile oscillation, et nous pouvons mesurer tout le spectre d’excitation, mais nous ne comprenons toujours pas pourquoi nous avons vu un comportement aussi anormal dans la phase apparemment classique », a déclaré Bay.

Pour obtenir des réponses, ils se sont tournés vers le physicien théoricien Christian Batista, professeur Lincoln à l’Université du Tennessee-Knoxville et directeur adjoint du Scholl Wulan Center de l’ORNL – un institut commun de science des neutrons qui fournit aux chercheurs invités des ressources supplémentaires et une expertise en diffusion neutronique.

Les neutrons rassemblent le mystère vieux de 40 ans derrière le mystérieux magnétisme de l'iodure de fer

Un petit échantillon d’iodure de fer maintenu par Pi (ci-dessus) a été synthétisé et préparé pour des expériences de diffusion de neutrons qui ont été utilisées pour mesurer l’excitation magnétique de base du matériau. Crédit: ORNL / Genevieve Martin

Avec l’aide de Batista et de son groupe, l’équipe a pu développer un modèle mathématique du mystérieux comportement d’oscillation quantique, et après avoir effectué des expériences neutroniques supplémentaires en utilisant les outils CORELLI et SEQUOIA dans le SNS, ils ont pu déterminer le mécanisme qui a causé cela. se passer. Spectacles.

«Ce que la théorie prédit et ce que nous avons pu confirmer à l’aide de neutrons, c’est que cette étrange fluctuation se produit lorsque le sens de rotation est inversé entre deux électrons. Moments magnétiques « Inclinez-vous dans des directions opposées », a déclaré Batista. Lorsque les neutrons interagissent avec le spin des électrons, les spins tournent en synchronie le long d’une direction spécifique dans l’espace. Cette chorégraphie résultant de la diffusion des neutrons crée une onde de spin.  »

Il a expliqué que dans différents matériaux, les cours électroniques peuvent prendre de nombreuses directions et chorégraphies différentes qui créent différents types de Vagues de spin. En mécanique quantique, ce concept est connu sous le nom de «dualité onde-particule», selon laquelle les nouvelles ondes sont considérées comme de nouvelles particules et sont généralement cachées de la diffusion des neutrons dans des conditions normales.

« Dans un sens, nous recherchons des particules sombres », a ajouté Batista. « Nous ne pouvons pas les voir, mais nous savons qu’ils sont là parce que nous pouvons voir leurs effets, ou les interactions qu’ils ont avec des particules que nous pouvons voir. »

Bay a déclaré: « En mécanique quantique, il n’y a pas de distinction entre les ondes et les particules. Nous comprenons le comportement d’une particule en fonction de sa longueur d’onde, et c’est ce que les neutrons nous permettent de mesurer. »

Moregal a comparé la façon dont les neutrons détectent les particules aux ondes de réfraction autour des roches à la surface de l’océan.

« Dans les eaux stagnantes, nous ne pouvons pas voir les roches au fond de l’océan tant que la vague ne se déplace pas au-dessus d’eux », a déclaré Moregal. Ce n’est qu’en créant autant d’ondes que possible avec des neutrons, à travers la théorie de Christian, Xiaojian a pu identifier les roches, ou dans ce cas, les interactions qui rendent visibles les fluctuations subtiles.

L’exploitation du comportement magnétique quantique a déjà conduit à des avancées technologiques telles que la machine d’imagerie par résonance magnétique et le stockage sur disque dur magnétique qui ont stimulé l’informatique personnelle. Des matériaux quantiques plus exotiques pourraient accélérer la prochaine vague de technologie.

Outre Bai, Moregal et Batista, les auteurs de l’article incluent Shang-Shun Zhang, Chilling Dunn, Hao Zhang, Cheng Huang, Haedong Zu, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov et Feng Yi.

Depuis leur découverte, l’équipe a utilisé ces informations pour développer et tester des prédictions dans un ensemble plus large de matériaux qui, selon elle, produiront les résultats les plus prometteurs.

« À mesure que nous introduisons plus de composants dans une substance, nous augmentons également les problèmes potentiels tels que le désordre et l’hétérogénéité. Si nous voulons vraiment comprendre et créer des systèmes de mécanique quantique propres et basés sur des matériaux, alors revenir à ces systèmes simples pourrait être plus important que nous. pensé », a déclaré Moregal.

« Cela résout l’énigme de 40 ans de l’excitation mystérieuse de l’iodure de fer », a déclaré Bai. «Aujourd’hui, nous avons l’avantage d’avancer à grande échelle Neutron Des installations comme SNS qui nous permettent fondamentalement de sonder l’espace plein d’énergie et d’élan de la matière pour voir ce qui se passe avec ces excitations étranges.

« Maintenant que nous comprenons comment ce comportement particulier fonctionne dans une question relativement simple, nous pouvons imaginer ce que nous pourrions trouver dans des matériaux plus complexes. Nous avons stimulé cette nouvelle compréhension et nous espérons que cela stimulera la communauté scientifique à étudier davantage de ces types de matériaux. ce qui mènera certainement à la physique. Plus intéressant.  »


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Plus d’information:
Xiaojian Bai et al, Excitations quadripolaires hybrides dans l’aimant amorti anisotrope rotationnel FeI2, Physique de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41567-020-01110-1

la citation: Les neutrons rassemblent un mystère de 40 ans derrière le mystérieux magnétisme de l’iodure de fer (2021, 20 mai) Extrait le 20 mai 2021 de https://phys.org/news/2021-05-neutrons-piece-year-puzzle-iron langage de programmation -iodide

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