Pierwszoplanową rolę odegrał związek iterbu, YbMnBi₂, a poświęcone mu doniesienia powinny mieć przełożenie na rozwój spintroniki, czyli technologii wykorzystującej spiny elektronów do przesyłania i przetwarzania informacji. Jak wyglądały przeprowadzone eksperymenty i czego dokładnie dowiedzieli się ich autorzy?
Czytaj też: Czy grawitacja powstaje z informacji kwantowej? Nowe ustalenia zaburzają rozumienie czasoprzestrzeni
Właściwości wielu materiałów zależą zarówno od budowy pojedynczych atomów, jak i sposobu, w jaki oddziałują ze sobą ich cząstki kwantowe. Szczególną rolę odgrywają w tym przypadku spiny elektronów, które można w uproszczeniu wyobrazić sobie jako maleńkie magnesy. Zespół badawczy kierowany przez Pengchenga Daia wykazał, iż w związku zawierającym pierwiastek ziem rzadkich, czyli iterb, spiny mogą zachowywać się w sposób przypominający cząsteczki ciekłych kryształów. Wyniki badań wskazują na istnienie tzw. stanu nematycznego spinów. Może on pomóc wyjaśnić, dlaczego YbMnBi₂ wykazuje nietypową reakcję na pole magnetyczne nawet wtedy, gdy w materiale nie występuje już konwencjonalny porządek magnetyczny.
W typowym materiale magnetycznym spiny atomowe mogą ustawiać się w określony sposób, tworząc uporządkowany stan, który odpowiada za makroskopowe właściwości magnetyczne. Po przekroczeniu odpowiedniej temperatury taki porządek może zaniknąć, a spiny zaczynają zachowywać się bardziej chaotycznie. Nie wszystkie układy kwantowe muszą jednak podlegać tak prostemu podziałowi na uporządkowane i nieuporządkowane. W stanie nematycznym spiny preferują określony kierunek, lecz nie ustawiają się w sposób prowadzący do powstania zwykłego namagnesowania.
Podobną właściwość wykazują ciekłe kryształy, których cząsteczki mogą podlegać ustawieniu w preferowanym kierunku, mimo że nie tworzą sztywnej struktury charakterystycznej dla kryształu. W przypadku magnetycznego stanu nematycznego analogia dotyczy orientacji spinów, a nie fizycznego ułożenia cząsteczek. Aby zbadać to zjawisko, naukowcy przeanalizowali kryształy YbMnBi₂, zbudowanego z iterbu, manganu i bizmutu. Dla porównania wykorzystali również pokrewny materiał, w którym iterb zastąpili wapniem.
Badacze skierowali na próbki wiązki neutronów. Ponieważ neutrony mają własny spin, analiza sposobu ich rozpraszania pozwala uzyskać informacje o właściwościach magnetycznych badanego materiału. Zespół mógł dzięki temu porównać fluktuacje spinów w różnych kierunkach, zmieniając temperaturę oraz natężenie zewnętrznego pola magnetycznego. Podczas schładzania próbki z temperatury około 177 stopni Celsjusza, badacze zaobserwowali, że w okolicach 127 stopni spiny manganu zaczęły silniej fluktuować w jednych kierunkach niż w innych. Było to jeszcze przed pojawieniem się konwencjonalnego porządku magnetycznego, który w badanym materiale występuje w niższej temperaturze, około 17 stopni Celsjusza.
Czytaj też: Komputer kwantowy odtworzył zjawisko, które zmieniło sposób myślenia o polu magnetycznym
W próbce zawierającej wapń nie analogiczny efekt się nie pojawił, co pozwala sądzić, że obecność ciężkich atomów iterbu może odgrywać kluczową rolę w powstawaniu nietypowego stanu kwantowego. Zespół Daia proponuje wyjaśnienie, w myśl którego za obserwowane zjawisko odpowiada silne sprzężenie ruchu elektronów z ich spinami, związane z obecnością ciężkich atomów iterbu. W zewnętrznym polu magnetycznym spiny iterbu mogą oddziaływać z tym układem, prowadząc do powstania skręconej konfiguracji spinowej. Taka struktura może z kolei wpływać na tor ruchu elektronów.
Mechanizm ten może tłumaczyć, dlaczego w YbMnBi₂ prądy elektryczne i cieplne ulegają odchylaniu na boki pod wpływem pola magnetycznego znacznie silniej, niż można byłoby oczekiwać na podstawie standardowych modeli. To z kolei stwarza potencjał dla spintroniki. W przeciwieństwie do tradycyjnej elektroniki, która opiera się przede wszystkim na przepływie ładunku elektrycznego, spintronika wykorzystuje także spin elektronów do przechowywania i przetwarzania informacji.
Źródło: Physical Review X
