中子拼凑了碘化铁神秘磁性背后40年的谜团

　　白晓建研究员和他的同事利用ORNL散裂中子源的中子，在1929年发现的一种相当简单的碘化铁材料中发现了隐藏的量子波动。这项研究表明，许多类似的磁性材料可能具有有待发现的量子特性。来源:ORNL
　　具有更新颖性能的先进材料几乎总是通过在原料列表中添加更多的元素来开发的。但量子研究表明，一些更简单的材料可能已经拥有了科学家们直到现在才发现的高级特性。
　　佐治亚理工学院和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员发现了一种近一个世纪前发现的相当简单的碘化铁材料(FeI2)中隐藏的、意想不到的量子行为。在美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)，通过中子散射实验和理论物理计算的结合，对这种材料的行为进行了新的研究。
　　该团队的发现——发表在《自然物理》杂志上——解决了一个关于这种材料神秘行为的40年的谜题，并可以作为一张地图，打开在其他材料中量子现象的宝库。
　　＂我们的发现很大程度上是出于好奇心，＂该论文的第一作者白晓建(音)说。白博士在乔治亚理工学院获得博士学位，目前在ORNL做博士后研究员，在那里他用中子研究磁性材料。＂我是2019年博士论文项目的一部分，偶然发现了这种碘化铁材料。我试图找到一种具有磁性三角形晶格排列的化合物，这种结构表现出所谓的‘挫败磁性’。＂
　　在普通的磁铁中，比如冰箱上的磁铁，这种材料的电子排列成箭头一样，要么都指向同一个方向——上或下——要么在上和下之间交替。电子指向的方向叫做＂自旋＂。但在更复杂的材料中，如碘化铁，电子排列在一个三角形网格中，其中三个磁力点之间的磁力相互冲突，不确定指向哪个方向——因此，＂磁性受挫＂。
　　＂当我阅读所有的文献时，我注意到这种化合物，碘化铁，在1929年被发现，并在70年代和80年代被深入研究，＂白说。＂当时，他们看到了一些奇特的，或非常规的行为模式，但他们没有真正的资源来完全理解他们为什么会看到它。＂所以，我们知道有一些奇怪而有趣的问题没有得到解决，与40年前相比，我们有了更强大的实验工具，所以我们决定重新审视这个问题，希望提供一些新的见解。＂
　　量子材料通常被描述为表现出奇异行为、违反经典物理定律的系统——比如固体材料表现出液体的行为，粒子像水一样移动，即使在冻结的温度下也不会冻结或停止运动。理解这些奇异现象是如何工作的，或者它们的潜在机制，是推进电子学和开发其他下一代技术的关键。
　　＂在量子材料中，有两件事非常有趣:物质的相，如液体、固体和气体，以及这些相的激发，如声波。类似地，自旋波是磁性固体材料的激发，＂佐治亚理工学院物理学教授Martin Mourigal说。＂很长一段时间以来，我们在量子材料的探索一直是寻找奇异的相，但我们在这项研究中问自己的问题是:‘也许相本身不是明显的奇异，但如果它的激发是奇异的呢?’＂这确实是我们的发现。＂
　　中子是研究磁性的理想探测器，因为它们本身就像微型磁铁，可以用来与其他磁性粒子相互作用并激发它们，而不影响材料的原子结构。
　　当Bai还是佐治亚理工学院Mourigal的研究生时，他就开始接触中子。Mourigal是ORNL高通量同位素反应堆(HFIR)和散裂中子源(SNS)的频繁中子散射用户，已经有几年了。利用美国能源部科学办公室的用户设施来研究各种量子材料及其各种奇怪的行为。
　　当Bai和Mourigal将碘化铁材料暴露在一束中子中，他们期望看到一个特定的激发或能量带与来自单个电子的磁矩相关;但他们看到的不是一个，而是两个不同的量子涨落同时发出。
　　＂中子让我们可以非常清楚地看到这种隐藏的波动，我们可以测量它的整个激发谱，但我们仍然不明白为什么我们会在一个明显的经典阶段看到这种异常行为，＂白说。
　　为了找到答案，他们求助于理论物理学家克里斯蒂安·巴蒂斯塔，他是田纳西大学诺克斯维尔分校的林肯讲座教授，也是ORNL的舒尔·沃兰中心的副主任。舒尔·沃兰中心是一个中子科学的联合研究所，为访问研究人员提供额外的中子散射资源和专业知识。
　　白(上图)所拿的一小块碘化铁样品被安装并准备用于中子散射实验，该实验被用来测量材料的基本磁激励。来源:ORNL
　　在巴蒂斯塔和他的团队的帮助下，该团队能够对神秘的量子涨落的行为进行数学建模，在使用SNS的CORELLI和SEQUOIA仪器进行额外的中子实验后，他们能够确定导致它出现的机制。
　　巴蒂斯塔说:＂理论预测和我们能够用中子证实的是，当两个电子之间的自旋方向翻转，它们的磁矩向相反的方向倾斜时，这种奇异的波动就会发生。＂＂当中子与电子的自旋相互作用时，自旋在空间中沿一定方向同步旋转。这种由中子散射引发的舞蹈产生了自旋波。＂
　　他解释说，在不同的材料中，电子自旋可以呈现出不同的方向和自旋动作，从而产生不同种类的自旋波。在量子力学中，这一概念被称为＂波粒二象性＂，其中新波被视为新粒子，在正常条件下通常隐藏在中子散射中。
　　＂从某种意义上说，我们在寻找暗粒子，＂巴蒂斯塔补充说。＂我们看不见它们，但我们知道它们在那里，因为我们能看到它们的影响，或者它们与我们能看到的粒子之间的相互作用。＂
　　＂在量子力学中，波和粒子没有区别。我们基于波长了解粒子的行为，这就是中子允许我们测量的东西，＂白说。
　　Mourigal把中子探测粒子的方式比作海洋表面岩石周围的波浪。
　　莫里格尔说:＂在静止的水中，我们看不到海底的岩石，直到海浪掠过它。＂只有用中子创造尽可能多的波，通过克里斯蒂安的理论，肖建才能识别出岩石，或者在这种情况下，使隐藏的波动可见的相互作用。
　　利用量子磁行为已经导致了技术进步，如核磁共振成像机和磁性硬盘存储，促进了个人计算。更多奇异的量子材料可能加速下一波技术浪潮。
　　除Bai、Mourigal和Batista外，论文的作者还包括张尚顺、邓志玲、张浩、黄庆、周海东、Matthew Stone、Alexander Kolesnikov和Ye Feng。
　　自他们的发现以来，该团队利用这些见解开发和测试了一系列更广泛的材料，他们预计这些材料将产生更有希望的结果。
　　＂当我们在一种材料中引入更多的成分时，我们也会增加潜在的问题，如无序和异质性。如果我们真的想了解并创造基于材料的干净量子力学系统，回到这些简单的系统可能比我们想象的更重要。＂
　　白说:＂这就解决了碘化铁中存在了40年的神秘激发之谜。＂＂我们今天有优势，在大规模的中子设施的进步，如SNS，允许我们基本上探测材料的整个能量和动量空间，看看发生了什么与这些奇异的激发。
　　＂现在我们了解了这种奇异的行为是如何在相对简单的材料中起作用的，我们可以想象在更复杂的材料中会发现什么。＂这一新的理解激励了我们，也希望它能激励科学界去研究更多这类材料，这必将导致更有趣的物理学。＂