카지노 바카라 산란을 이용한 양자 간섭 효과 및 자성 준입자에 대한 격자 결함의 영향 관찰

요약

₂코시₂O₆Cl₂카지노 바카라 산란 실험을 통해 삼중입자라고 불리는 자성 준입자가 발견되었습니다 (1학기) 하지만 상호작용에 대한 좌절감(2학기로 인한3학기)으로 인해 전혀 움직일 수 없게 되었습니다 우리는 또한 격자 결함으로 인한 짝을 이루지 않은 스핀과 삼중론이 양자 역학적 여기 상태를 형성한다는 사실도 밝혔습니다

일반적인 자성 물질에서 자성 준입자는 파동과 같은 결정을 통해 전파되며, 여기 에너지는 일반적으로 파동의 파장과 진행 방향에 따라 다른 값을 갖습니다 그러나 자성 준입자에 작용하는 상호작용의 좌절이 완전해지면 자성 준입자는 자성 물질 내에서 전혀 움직일 수 없고 여기 에너지가 일정해진다는 것이 이론적으로 밝혀졌다 본 연구에서 이 현상은 Ba₂코시₂O₆Cl₂에서 어떤 일이 일어나는지 입증하는 것 외에도 일반적으로 관찰할 수 없는 격자 결함의 영향이 명확해지는 것도 보여주었습니다 이러한 결과는 향후 양자자성재료 개발로 이어질 것으로 기대된다

이 결과는 미국 학술지 '물리적 검토 편지'' 전자 버전으로 출판되었습니다

배경

자성 물질의 자성은 자성 원자의 전자 스핀입니다 (4학기)이 담당하고 있습니다 스핀을 평행(강자성) 또는 반평행(반강자성)으로 만드는 전자 스핀 사이에는 교환 상호작용(5학기)이 작동 중입니다 이 때문에 대부분의 자성재료는 온도가 낮아지면 스핀이 평행한 강자성 상태와 스핀이 반평행하는 반강자성 상태 사이에서 상전이가 일어난다 이러한 자기적으로 정렬된 상태를 갖는 자성 재료에서 자성은 일반적으로 스핀을 고전적인 벡터(화살표)로 생각하여 이해될 수 있습니다 상전이는 화살표 방향의 순서로 생각하면 되고, 스핀 운동은 화살표의 요동으로 이해하면 된다 반면, 자성체를 양자역학적 입자들의 집합으로 생각하면 자성을 더 정확하게 이해할 수 있는 경우도 있습니다 본 연구의 주제인 Ba₂CoSi₂O₆Cl₂이 경우에 해당합니다

바₂코시₂O₆Cl₂강한 반강자성 교환 상호작용으로 연결된 스핀(이합체) 쌍이 약한 교환 상호작용을 통해 다른 이합체와 상호 작용하는 자성 물질입니다(그림 2(a)) 스핀 이량체에는 두 가지 양자 역학적 상태가 있습니다 자성이 없는 단일항 상태와 자성이 있는 삼중항 상태입니다 자기장이 없으면 단일항 상태는 에너지가 더 낮습니다 따라서 스핀 다이머로 구성된 자성체는 자기장이 0일 때 자기상전이가 일어나지 않고, 절대 0도에서는 자성이 사라지는 단일항 상태(singlet state)에 들어간다 이러한 양자역학적 효과를 강하게 나타내는 자성재료를 양자자성재료라고 한다

스핀 이량체로 구성된 양자자성 물질의 자기 여기는 단일항 상태에서 삼중항 상태로 여기되는 것이며 이는 삼중항이라고 불리는 준입자로 설명됩니다 일반적으로 이량체에서 생성된 트리플론은 이량체 사이의 약한 교환 상호작용으로 인해 인접한 이량체로 전달될 수 있으므로(그림 2(b)) 자성체 내에서 파동으로 전파될 수 있습니다 파동의 에너지는 파장과 진행방향에 따라 달라지므로 삼중파는 분산관계를 갖는다(6학기), 여기 에너지는 유한한 폭을 갖습니다 반면, 이합체 사이에 두 가지 유형의 교환 상호작용(빨간색 선과 파란색 선)이 있는 경우(그림 2(a)), 이러한 교환 상호작용을 통해 인접한 이합체로 이동하는 삼중플론 파동은 반대 위상을 갖게 되므로 간섭 효과로 인해 삼중론 이동 확률이 감소합니다 그림 2(a)의 경우처럼 반대 효과를 갖는 두 가지 유형의 상호작용이 경쟁하는 상황을 좌절이라고 합니다 두 유형의 상호작용 에너지가 정확히 같다면, 트리플론이 이웃한 이량체로 이동할 확률은 0이 되며, 트리플론은 전혀 이동할 수 없게 됩니다 이러한 완전한 좌절이 발생하면 자화곡선(7학기)는 계단 모양의 형상을 갖는 것으로 알려져 있으며, 포화자화의 절반에서는 자기장에 관계없이 자화가 일정하게 유지되는 평평한 영역(고원)이 나타납니다 이 자화 안정기 영역에서는 상호 반발을 피하기 위해 삼중론 하나 걸러 모두 이합체 위에 배열되는 결정화가 발생합니다(그림 2(c)) 바₂코시₂O₆Cl₂그러나 실제로 이러한 자화 곡선이 관찰되었기 때문에 완전한 좌절이 일어나고 있다고 생각되었습니다[1]

연구 이력

좌절과 양자역학의 영향으로 자성물질 내에서 자성 준입자가 이동할 수 없게 되어 자화곡선에 평탄기가 나타나는 거시적 양자현상을 관찰한 사례는 현재까지 거의 없으며, 다른 이론모델로 표현된 양자자성물질의 사례는 단 하나뿐입니다[2] 따라서 그림 2(a)의 이론적 모델로 표현된 실제 물질에서 이러한 놀라운 양자 효과가 발생한다는 것을 보여주는 것이 중요합니다 이번 연구그룹은 Ba₂코시₂O₆Cl₂의 자기 여기에 초점을 맞췄습니다 카지노 바카라 산란(8학기)는 넓은 파장과 에너지 범위에 걸쳐 자기 여기를 조사하는 유일한 실험 도구입니다 연구 그룹은 60 Ba 이상을 보유하고 있습니다₂코시₂O₆Cl₂의 얇은 결정을 배열하여 카지노 바카라 산란 실험을 수행했습니다 결정 방향이 정렬되도록 했습니다 사용된 장비는 고강도 양성자 가속기 시설 'J-PARC'(9학기))에 설치된 저온 중성자 디스크 초퍼 분광계 AMATERAS(그림 3)는 저에너지 여기를 고정밀도로 감지할 수 있는 세계 최고의 장비 중 하나입니다 이번 연구에서는 도쿄공업대학과 바카라 커뮤니티 J-PARC 센터의 그룹이 시료 성장 및 중성자 산란 실험을, 아오야마 가쿠인 대학의 그룹이 이론 분석을 진행했다

연구 결과

이 카지노 바카라 산란 실험의 결과로 세 가지 뚜렷한 여기 스펙트럼이 얻어졌습니다(그림 4(a)) 어떤 경우든 여기 에너지는 파수에 의존하지 않으므로 여기가 파동으로 전파되지 않고 결정의 특정 위치에 국한됩니다 특징적인 것은 그림 4(c)-(e)에 표시된 것처럼 실험에서 얻은 세 가지 유형의 자극에 대해 다음과 같습니다ab여기 강도가 평면에 평행한 파수 공간에 매핑되면 여기 강도의 파수 의존성은 모두 다릅니다

첫째, 여기 스펙트럼(그림 4(a))의 중간에 위치한 여기(E = 58 meV)는 가장 높은 강도를 가지며 파수 의존성이 없습니다(그림 4(d)) 이것이 크리스탈의 원래 자극입니다 여기가 단 하나뿐이라는 사실은 모든 이합체가 동일하다는 것을 나타냅니다 이 결과와 이전에 관찰된 자화 안정기 Ba₂코시₂O₆Cl₂에서는 이합체-이합체 교환 상호작용의 좌절이 완료되어 트리플론이 더 이상 전혀 움직일 수 없음이 밝혀졌습니다

다음 문제는 여기 스펙트럼(그림 4(a)) 위와 아래에 위치하며 여기 강도가 파수에 따라 달라지는 여기(E = 66, 48 meV)의 원점입니다(그림 4(c) 및 (e)) 이는 격자 결함과 이합체로 인한 짝을 이루지 않은 스핀의 조합으로 형성된 두 가지 유형의 양자 역학적 여기 상태입니다 이는 짝을 이루지 않은 스핀-이합체 결합 모델(그림 4(b))을 기반으로 계산된 여기 강도 맵(그림 4(f) 및 (h))이 실험 결과(그림 4(c) 및 (e))의 파수 의존성을 매우 잘 재현한다는 사실에서 볼 수 있습니다 격자 결함은 많은 자성 결정에 존재하지만 그 효과는 자성 재료 고유의 파수 의존적 자기 여기에 의해 숨겨져 관찰이 거의 불가능합니다 반면 바₂코시₂O₆Cl₂에서는 여기 에너지가 파수 의존성이 없으므로 결정 고유의 여기와 격자 결함에 따른 여기가 명확하게 분리되어 격자 결함의 영향을 관찰할 수 있습니다

향후 개발

이 연구는 매우 실망스러운 양자 반강자성 물질 Ba에 초점을 맞추고 있습니다₂CoSi₂O₆Cl₂의 새로운 자기 여기를 공개했습니다 자기장 내에서 자기 삼중론 결정화가 일어나는 것을 확인하였다 이번에 수행된 것과 같은 순수 단결정을 이용한 정밀 카지노 바카라 산란 실험은 앞으로도 계속해서 많은 새로운 현상을 발견하고 응집물질 연구의 새로운 지평을 열 것으로 기대됩니다 자성재료는 자기기록, 자기헤드, 영구자석 등 다양한 응용분야에 사용되어 왔지만 지금까지는 고전적인 자성을 주로 사용하였다 자성재료의 양자효과를 응용할 수 있다면 새로운 자기소자 개발로 이어질 것이다 이번 연구는 향후 양자자성재료 개발로 이어질 것으로 기대된다

[참조]

[1] H Tanaka, N Kurita, M Okada, E Kunihiro, Y Shirata, K Fujii, H Uekusa, A Matsuo, K Kindo 및 H Nojiri, J Phys Soc 일본83, 103701 (2014).

[2] H Kageyama, K Yoshimura, R Stern, N V Mushnikov, K Onizuka, M Kato, K Kosuge, C P Slichter, T Goto 및 Y Ueda, Phys 렛 목사님82, 3168 (1999).

이 연구는 과학 연구를 위한 보조금(A)(26247058 및 17H01142), 과학 연구를 위한 보조금(B)(17H02926) 및 과학 연구를 위한 보조금(C)(16K05414 및 18K03525)의 지원을 받았습니다 또한, J-PARC 소재생명과학실험시설에서는 사용자 프로그램(과제번호 2015A0161)으로 카지노 바카라 산란 실험을 수행하였다

[용어 설명]

(Term 1) 자성 준입자:

자성을 지닌 가상 입자입니다 자성물질이 단일항 상태에서 삼중항 상태로 여기되는 현상을 나타내는 트리플론(triplon)은 스핀 세차운동의 파동인 스핀파(magnon)와 스핀쌍(dimer)으로 구성된 전형적인 자성 준입자이다

(2학기) 좌절:

기하학적 배열 또는 반대 효과와의 경쟁적 상호작용으로 인해 모든 상호작용 에너지를 최소화할 수 없는 상황(일부 상호작용이 항상 불만족스러운 상태로 유지되는 상황) 물리학에서는 이를 '좌절'이라고 합니다

(항 3) 양자 간섭 효과:

양자 기계 입자는 결정을 통해 파동으로 이동합니다 각 위치의 파동 진폭은 입자의 존재 확률에 해당합니다 양자간섭이란 입자파의 최고점이나 최고점과 최저점이 겹쳐서 파동이 서로 강해지거나 약해지는 현상이다

(4학기) 스핀:

입자의 회전 운동에 해당하는 물리량이며, 전자는 크기의 1/2인 스핀을 갖습니다 오른나사를 회전 방향으로 돌릴 때 나사가 전진하는 방향이 회전 방향입니다 전자는 음전하를 띠고 있기 때문에 자신의 회전으로 인해 작은 자석(자기 모멘트)의 성질을 갖게 됩니다 스핀은 양자역학의 법칙(불확정성 원리)을 따르므로 스핀의 방향을 완전히 결정할 수는 없습니다

(5번째 기간) 교류 상호작용:

인접한 자기 원자의 전자가 서로 위치를 교환할 때 발생하는 전자 스핀 사이의 양자 역학적 상호 작용입니다 교환 상호작용은 전자 스핀을 평행 또는 역평행으로 만드는 효과가 있습니다 자기 원자의 스핀을 평행하게 만드는 교환 상호 작용을 하는 물질을 강자성체라고 하고, 자기 원자의 스핀을 반평행하게 만드는 교환 상호 작용을 하는 물질을 반강자성체라고 합니다

(텀 6) 분산 관계:

일반적으로 고체의 여기는 파동으로 결정 전체에 전파됩니다 Triplon은 그러한 형태 중 하나입니다 여기에 필요한 에너지는 파동의 파장과 진행 방향에 따라 다른 값을 갖습니다 크기가 파장의 역수이고 방향이 파동 전파 방향인 벡터를 파수 벡터라고 하며, 여기 에너지와 파수 벡터 간의 관계를 분산 관계라고 합니다

(Term 7) 자화 곡선:

자기의 강도를 나타내는 자화와 적용된 자기장 사이의 관계를 나타내는 함수입니다 일반적인 반강자성 자화 곡선에서 자화는 포화 상태에 도달할 때까지 자기장과 함께 증가하며, 포화 상태에서는 일정해집니다

(Term 8) 카지노 바카라 산란:

카지노 바카라는 입자 특성과 파동 특성을 가지고 있습니다 카지노 바카라 산란은 파동의 성질을 이용하는 실험이다 카지노 바카라는 자기모멘트를 갖고 있기 때문에 고체에 입사한 카지노 바카라는 원자를 구성하는 원자핵의 핵력뿐만 아니라 자기원자의 자기모멘트에 의해서도 산란됩니다 탄성 산란은 입사된 카지노 바카라와 산란된 카지노 바카라의 에너지 변화가 없을 때 발생하며, 브래그 법칙에 기초하여 자성체의 결정 구조 및 자기 모멘트 정렬을 결정하는 데 사용됩니다 반면, 비탄성 산란은 입사된 카지노 바카라와 산란된 카지노 바카라의 에너지에 변화가 있는 경우로, 자기 여기를 비롯한 고체 내 여기 현상을 연구하는 데 사용됩니다 이 경우 입사된 카지노 바카라와 산란된 카지노 바카라의 에너지 차이가 ​​여기에너지가 된다

(9학기) J-PARC:

고강도 양성자 가속기 연구단지 고에너지가속기연구기구와 일본원자력기구가 이바라키현 토카이손에 공동으로 운영하는 대규모 연구시설로, 입자물리학, 핵물리학, 응집물질물리학, 화학, 재료과학, 생물학 분야의 학술연구부터 산업분야의 응용연구까지 폭넓은 분야에서 세계 최고 수준의 연구가 진행되고 있습니다 J-PARC 내 소재 및 생명 과학 실험 시설은 세계에서 가장 강한 카지노 바카라와 뮤온 빔을 사용하여 연구를 수행하여 전 세계의 연구자들을 끌어 모으고 있습니다

[게재된 논문]

발간된 잡지:물리적 검토 서한 123 (2019) 027206

논문 제목: 완전히 좌절된 이량체화된 자석 Ba의 국지화된 자기 여기₂코시₂O₆Cl₂

저자: N Kurita, D Yamamoto, T Kanesaka, N Furukawa, S Ohira-Kawamura, K Nakajima 및 H Tanaka

DOI:101103/PhysRevLett123027206