古怪的親族化合物可以破解量子代碼

大多數(shù)家庭都有一個(gè)古怪的東西，但萊斯大學(xué)的物理學(xué)家艾米莉亞·莫羅桑發(fā)現(xiàn)了一整套古怪的化合物，可以幫助解釋其他量子材料工程師為下一代計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備所做的神秘的電子和磁性工作。

Morosan和30位共同作者在 本周的一項(xiàng)研究中描述了第一個(gè)家庭成員 - 一個(gè)由鐿，銠和硅制成的“半金屬Kondo晶格”，比例為1比3到7 - 本周在物理學(xué)會(huì)期刊上發(fā)表的一篇文章物理評(píng)論X(PRX)。該論文描述了YbRh3Si7的兩個(gè)特性 - “超磁性”和“低載體近藤”效應(yīng) - 以前很少用相同材料測(cè)量過。

Morosan的實(shí)驗(yàn)室專門研究量子材料的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)和合成， 在戈登和貝蒂摩爾基金會(huì)量子系統(tǒng)倡議(EPiQS)的緊急現(xiàn)象的支持下，創(chuàng)建了1-3-7的新系列。她說，在摩爾資助的研究之前，科學(xué)文獻(xiàn)中已經(jīng)描述了少數(shù)1-3-7。她說，在她的小組發(fā)現(xiàn)的1-3-7家族中的幾種化合物中，有四種是磁性的，三種是基于鐿的，并且“每種化合物都比最后一種更令人驚訝”。

“首先，這使我們有機(jī)會(huì)自己理解所有這些，然后相互理解它們，”Morosan說，他 于2014年被任命為 摩爾基金會(huì)EPiQS材料綜合研究員。“例如，這些之間的結(jié)構(gòu)和化學(xué)差異非常小。晶格參數(shù)幾乎相同。人們可以預(yù)期，這些相關(guān)化合物的物理變化將是最小的，但我們發(fā)現(xiàn)磁性和傳輸性質(zhì)有很大不同。如果我們能夠理解為什么在這個(gè)系列中發(fā)生了這種情況，它可能會(huì)讓我們搜索具有我們想要的屬性的化合物。“

在YbRh3Si7和所有其他晶體中，原子以有序的方式排列。每個(gè)晶體都有自己的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)圖案或 晶格。在含有鐵或鐿等磁性元素的晶體中，晶格中原子的有序排列通常與磁性順序齊頭并進(jìn)。

例如，每個(gè)電子都像一個(gè)微小的旋轉(zhuǎn)磁鐵，在其自旋 軸的兩端都有一個(gè)正負(fù)磁極 。電子的 磁矩指的是自旋軸指向的方向，在鐵和鐿等元素中，每個(gè)元素包含許多電子，原子可以具有強(qiáng)大的集體磁矩。在鐵磁體中 - 這些材料粘在無數(shù)的冰箱和汽車上 - 這些磁矩都指向一個(gè)方向。在反鐵磁體中，如YbRh3Si7，一半的力矩指向一個(gè)方向，另一半指向相反的方向。

科技公司越來越關(guān)注在固態(tài)器件中使用自旋。 Spintronics是一項(xiàng)不斷發(fā)展的運(yùn)動(dòng)，致力于為數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算創(chuàng)建基于旋轉(zhuǎn)的技術(shù)，包括用于量子計(jì)算機(jī)的基本新型芯片 。

對(duì)于研究新磁性材料(如YbRh3Si7)的人來說，探測(cè)磁性順序的一種方法是通過誘導(dǎo)力矩響應(yīng)外部磁場(chǎng)指向另一個(gè)方向。通過測(cè)量改變磁矩指向所需的場(chǎng)能量，物理學(xué)家可以更多地了解晶格在磁矩表達(dá)方式中的作用。

在大多數(shù)材料中，隨著強(qiáng)度的增加，原子的磁矩逐漸朝向外場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。在 超磁體中，即使在施加外部場(chǎng)時(shí)，晶體場(chǎng)的力也會(huì)發(fā)揮作用，使得力矩保持鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢?。但是?dāng)場(chǎng)能量達(dá)到臨界水平時(shí)，瞬間瞬間突然進(jìn)入一個(gè)與場(chǎng)地更緊密對(duì)齊的新布局。如果場(chǎng)強(qiáng)足夠大，那么可以使力矩與場(chǎng)對(duì)齊，但“只能通過這種逐步變化的過程讓人想起 魔鬼的樓梯，”Morosan說。

元磁性躍遷的發(fā)現(xiàn)是YbRh3Si7結(jié)晶結(jié)構(gòu)中一些奇怪的事情的第一個(gè)線索。

“基于鐿的化合物中很少有超磁性的例子，”該研究的共同作者，莫桑桑集團(tuán)的研究生Macy Stavinoha說。“這種轉(zhuǎn)變使我們看到了潛在的磁性結(jié)構(gòu)，這非常復(fù)雜。我們不得不使用多種技術(shù)來確認(rèn)所涉及的內(nèi)容。“

解釋材料磁性順序的八年實(shí)驗(yàn)性冒險(xiǎn)由前博士領(lǐng)導(dǎo)。學(xué)生和合著者Binod Rai包括前往田納西州 橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室，馬里蘭州 標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所，英國(guó) 盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室，佛羅里達(dá)州 高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室 和新墨西哥州 洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室。

Morosan表示，這些實(shí)驗(yàn)幫助她的團(tuán)隊(duì)解讀了YbRh3Si7中的結(jié)構(gòu)，電子和磁力等混亂的競(jìng)爭(zhēng)。

“沒有什么比這更簡(jiǎn)單的了，你可以坐下來看看實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)并立即告訴發(fā)生了什么，”她說。

例如，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)垂直于零場(chǎng)力矩方向施加磁場(chǎng)時(shí)，YbRh3Si7中的超磁轉(zhuǎn)變發(fā)生在較低的場(chǎng)。這與幾乎所有其他基于鐿的化合物中的磁性轉(zhuǎn)變形成對(duì)比，這種化合物在施加的場(chǎng)與力矩方向平行時(shí)發(fā)生。Morosan說，這表明YbRh3Si7中不同能量級(jí)之間的微妙平衡。

在磁矩和傳導(dǎo)電子之間增強(qiáng)的相互作用中可以看到材料中競(jìng)爭(zhēng)能量標(biāo)度的另一個(gè)例子。這種相互作用被稱為“ Kondo篩選 ”，當(dāng)載體電子 - 電流中的流動(dòng)粒子 - 與鐿原子中的磁性排列電子相互作用時(shí)產(chǎn)生。Stavinoha說它令人費(fèi)解，因?yàn)閅bRh3Si7的載流子電子密度低于大多數(shù)已知的Kondo材料。

“你很少在一個(gè)同構(gòu)化合物家族中找到多個(gè)Kondo系統(tǒng)，”Stavinoha說。“在1-3-7系列中，我們發(fā)現(xiàn)了三種具有不同磁性和電子特性的Kondo系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)相似性和物理性質(zhì)差異的結(jié)合為比較研究提供了很好的機(jī)會(huì)。“

Morosan是Rice的物理學(xué)和天文學(xué)，化學(xué)，電子和計(jì)算機(jī)工程教授，也是Rice工作量子材料中心的成員，這 是一項(xiàng)利用全球合作伙伴關(guān)系和超過20個(gè)水稻研究小組的優(yōu)勢(shì)來解決相關(guān)問題的大學(xué)。量子材料。