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Aug 20, 2023

物理学者が「液体磁性の積み重なったパンケーキ」を発見

I fisici hanno scoperto una "frittella impilata di magnetismo liquido".

物理学者らは、一部の層状螺旋磁石の奇妙な電子的挙動を説明できる可能性のある「液体磁気の積み重ねられたパンケーキ」を発見した。

研究対象の材料は低温では磁性を持ち、解凍すると非磁性になります。 アイオワ州立大学エイムズ国立研究所の実験物理学者マカリー・タナター氏は、層状ヘリ磁性結晶における複雑な電子の挙動に気づき、ライスの理論物理学者アンドリー・ネビドムスキー氏にその謎に注目させた。彼はタナター氏とライスの元大学院生マシュー・ブッチャー氏と協力して計算モデルを作成した。層状材料内の原子と電子の量子状態をシミュレートしました。

磁性材料は、温度が上がると「解凍」転移を起こし、非磁性になります。 研究者らは、ヘリ磁石のこの転移について何千ものモンテカルロコンピュータシミュレーションを実行し、物質内部の原子の磁気双極子が解凍中にどのように配置されるかを観察した。 彼らの結果は、Physical Review Letters の最近の研究で発表されました。

超顕微鏡レベルでは、研究対象の材料は、ノートのページのように積み重ねられた何千もの 2D 結晶で構成されています。 各結晶シートでは原子が格子状に配列されており、物理学者らはシート内およびシート間の量子相互作用をモデル化した。

「私たちは、氷の塊のような固体を加熱すると、最終的には液体になり、より高い温度では蒸発して気体になると考えることに慣れています」とネヴィドムスキー氏は述べた。 、物理学と天文学の准教授であり、ライス量子イニシアチブのメンバーです。 「言葉の本当の意味で何も蒸発しないことを除けば、磁性材料でも同様のことが言えます。

「クリスタルはまだ無傷だ」と彼は言った。 「しかし、コンパスの針のような小さな磁気双極子の配置を見ると、それらは相関関係のある配置で始まります。つまり、そのうちの1つがどちらの方向を向いているかがわかれば、それらのいずれかがどちらの方向を向いているかを判断できるということです。格子内でどれだけ離れているかに関係なく、それが磁性状態、つまり固体に喩えられます。加熱すると、双極子は最終的には互いに完全に独立、つまりランダムになります。これは常磁性体として知られています。 、そしてそれは気体に似ています。」

ネヴィドムスキー氏は、物理学者は通常、物質は磁気秩序を持っているか、磁気秩序を欠いているかのどちらかだと考えると述べた。

「古典的な観点からより適切に例えると、ドライアイスの塊が考えられます」と彼は言う。 「それは、液相のことを忘れて、氷から気体に直接移行するようなものです。それが、通常、教科書に登場する磁気転移のようなものです。私たちは、相関関係のあるもの、たとえば強磁性体から始めて、ある時点で秩序パラメータが決まると教えられます。」が消えて常磁性体になってしまいます。」

エイムズの超電導・磁性低温研究所の研究員であるタナター氏は、ヘリカル磁石における磁気秩序から無秩序への移行が、抵抗などの電子特性が方向によって異なる遷移段階によって特徴づけられるという兆候を発見した。 たとえば、上から下への垂直方向の測定ではなく、水平方向の左右への測定の場合は異なる可能性があります。 物理学者が異方性と呼ぶこの方向性の挙動は、高温超伝導体のような多くの量子材料の特徴です。

「これらの層状の素材は、垂直方向と水平方向で同じように見えません」とネビドムスキー氏は言います。 「それが異方性です。マカリーの直感は、異方性が磁性が材料内でどのように溶けるかに影響を与えているということでした。そして私たちのモデリングはそれが真実であることを実証し、なぜそれが起こるのかを示しました。」

このモデルは、材料が磁気秩序から無秩序に移行する際に中間相を通過することを示しました。 この段階では、双極子相互作用はシート間よりもシート内ではるかに強くなります。 さらに、双極子間の相関は固体ではなく液体の相関に似ていました。 その結果、「パンケーキのように積み重なった磁性液体の平らな水たまり」ができるとネビドムスキー氏は語った。 水たまりのような各パンケーキでは、双極子はほぼ同じ方向を向いていますが、その方向感覚は隣接するパンケーキ間で異なります。

「それはすべての双極子が同じ方向を向いた原子の束です」とネヴィドムスキー氏は語った。 「しかし、1 層上に進むと、すべてが別のランダムな方向を向いています。」

材料内の原子の配置により双極子が「挫折」し、材料全体で双極子が均一な方向に整列することが妨げられます。 代わりに、層内の双極子が移動し、隣接するパンケーキの変化に応じてわずかに回転します。

「フラストレーションにより、磁気双極子である矢が、ある角度や別の角度でどこを指すのかを決めることが困難になります」とネビドムスキー氏は語った。 「そして、そのフラストレーションを解消するために、各層で回転したり移動したりする傾向があります。」

タナタール氏は、「考え方としては、競合する 2 つの磁性相があるということです。それらは互いに戦っており、その結果、これらの相の転移温度は、競合がない場合よりも低くなります。そして、この競合シナリオでは、磁気秩序をもたらす現象は、この競争がない場合の現象とは異なります。」

タナタール氏とネビドムスキー氏は、この発見を直ちに応用することはできないが、高温超伝導体のような他の異方性材料のまだ解明されていない物理学についてのヒントを提供する可能性があると述べた。

その名前にもかかわらず、高温超伝導は非常に低い温度で発生します。 ある理論では、材料が量子臨界点付近に冷却されると超伝導体になる可能性があると示唆されています。量子臨界点は、長距離の磁気秩序を抑制し、強い量子ゆらぎによってもたらされる効果を引き起こすのに十分な温度です。 例えば、いくつかの磁性「親」材料は、磁性が消滅する量子臨界点に近い超伝導性を有することが示されている。

「主な効果である長距離磁気秩序を抑制すると、超伝導のような弱い効果に道を譲ってしまう可能性がある」とタナター氏は述べた。 「これは、型破りな超電導に関する主要な理論の 1 つです。私たちの研究では、フラストレーションや競合する相互作用を利用して、同じことを別の方法で実行できることを示しました。」

ブッチャーは博士号取得者としてモンテカルロ計算を実行しました。 ネヴィドムスキーの研究グループの学生。 彼は 2022 年にライス大学から博士号を取得し、現在はテキサス大学オースティン校応用研究所の工学科学者です。

この研究は、ウェルチ財団 (C-1818)、エネルギー省基礎エネルギー科学プログラムの材料科学工学部門 (DE-AC02-07CH11358)、および国立科学財団 (1917511、1607611、1338099) の支援を受けました。 計算作業はライス大学リサーチ コンピューティング センターによって支援されました。

「フラストレートイジング反強磁性体の異方性融解」 | 物理的なレビューレター | DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.166701

著者: Matthew W. Butcher、Makariy A. Tanatar、Andriy H. Nevidomskyy

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.166701

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/0515_MELTING-figV-lg.jpg 写真説明: ライス大学の物理学者とアイオワ州立大学エイムズ研究所は、発生する「液体磁性の積み重ねられたパンケーキ」を発見した一部の螺旋磁石では、材料が温まると磁気双極子の配置が変化するため、この現象が起こります。 非常に低い温度 (下のパネル) では、双極子の規則的な配置により磁気が発生します。 高温（上部パネル）では、双極子が乱れ、材料は非磁性になります。 液体のような磁性のパンケーキ (中央のパネル) は、水平 2D 層内の磁気相互作用が層間の垂直相互作用よりもはるかに強い中間温度で発生します。 (図: M. Butcher、提供: A. Nevidomskyy/ライス大学)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/0515_MELTING-an86Q-lg.jpg 写真説明: Andriy Nevidomskyy (写真提供: Jeff Fitlow/ライス大学)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/0515_MELTING-mt-lg.jpg 写真説明: マカリー・タナタル (写真提供: MA タナタル)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/0515_MELTING-mb-lg.jpg 写真説明: マシュー・ブッチャー (写真提供: M. ブッチャー)

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物理学者が最初の可能性のある 3D 量子スピン液体を発見 – 2019 年 7 月 15 日https://news.rice.edu/news/2019/physicists-find-first-possible-3d-quantum-spin-liquid

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ヒューストンの 300 エーカーの森林に覆われたキャンパスに位置するライス大学は、US News & World Report によって常に全米トップ 20 大学にランクされています。 ライス大学は、建築、ビジネス、継続学習、工​​学、人文科学、音楽、自然科学、社会科学の学校で高く評価されており、ベイカー公共政策研究所の本拠地でもあります。 ライス大学には学部生が 4,240 人、大学院生が 3,972 人おり、学部生と教員の比率は 6 対 1 弱です。 その全寮制カレッジ システムは、緊密なコミュニティと生涯にわたる友情を築きます。これが、ライス大学がプリンストン レビューで人種や階級の交流の多さで第 1 位、生活の質で第 4 位にランクされている理由の 1 つです。 ライス大学は、キプリンガーのパーソナル・ファイナンスでも私立大学の中で最高の価値があると評価されています。