Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 30 – vyšlo 4. října, ročník 11 (2013)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Revoluční objev spinové kapaliny, nové formy magnetizmu

Petr Kulhánek

Myšlenka existence látky, ve které by spiny divoce měnily svůj směr a přesto byly jejich stavy provázané i na dálku – obdobně jako je tomu v kapalině – pochází od amerického fyzika Phillipa Warena Andersona. Anderson za své práce v oblasti polovodičů, supravodivosti a magnetizmu získal Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1977. Spinovou kapalinu (QSL, Quantum Spin Liquid), jak se jím navrženému stavu hmoty začalo říkat, vymyslel v roce 1973. Od té doby se spíše zdálo, že jde jen o teoretickou konstrukci a připravit takový neobvyklý materiál je nemožné. O to větší bylo překvapení, když se po roce 2010 v různých laboratořích světa začali vědci tomuto cíli postupně přibližovat.

Jednoduchá představa spinové kapaliny. Zdroj: Francis Pratt/ISIS/STFC.

Feromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO₂.

Antiferomagnetikum – systém spinů ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly různou hodnotu spinu (například opačný směr). Při nízkých teplotách se vytvářejí periodické struktury opačně orientovaných momentů. Příkladem antiferomagnetika může být supravodič URu₂Si₂, dále chróm, slitina železa a manganu nebo oxid niklu NiO.

Spinové sklo – magnetický materiál, který má za nízkých teplot chaotickou orientaci magnetických momentů. Jejich uspořádání připomíná klasické sklo. Vazbová energie sousedních magnetických momentů se mění náhodně místo od místa.

Spinová kapalina – magnetický materiál, který má za nízkých teplot chaotickou orientaci magnetických momentů. Jejich uspořádání připomíná klasickou kapalinu. Na malých vzdálenostech se nevytváří žádné pravidelné struktury, nicméně kvantové stavy jsou propleteny i na velké vzdálenosti. Chaotické chování spinů zůstává, na rozdíl od jiných kapalin, i při velmi nízkých teplotách.

Magnetizmus

Magnetizmus vzniká při pohybu nabitých částic. Pokud protéká vodičem elektrický proud, vytvoří se kolem něho magnetické pole. I samotný letící elektron generuje magnetické pole a pokud letí po kruhové dráze, generuje dokonce elektromagnetickou vlnu. Magnetické pole způsobuje i samotný spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. částic. Dokonce může jít i o neutrální částici, například neutronNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron.. Každý spin se chová jako elementární magnet a v magneticky aktivních materiálech vytvářejí spiny pravidelné struktury uspořádané na velké vzdálenosti. Typickým příkladem je feromagnetikumFeromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO₂., ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední spiny měly shodný směr. Při vysokých teplotách jsou díky velkým teplotním fluktuacím spiny orientovány náhodně a látka jako celek nemá magnetické chování. Ochlazujeme-li vzorek, dojde při tzv. Curieově teplotěCurieova teplota – teplota fázového přechodu u magneticky aktivních materiálů. Nad touto teplotou jsou elementární magnety uspořádány chaoticky, pod touto teplotou se vytvářejí magnetické domény jednotně uspořádaných elementárních magnetů a materiál má magnetické vlastnosti. k fázovému přechodu. Vzniknou oblasti shodně orientovaných spinů, kterým říkáme Weissovy domény, a materiál se začne navenek chovat jako magnet.

V antiferomagnetikuAntiferomagnetikum – systém spinů ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly různou hodnotu spinu (například opačný směr). Při nízkých teplotách se vytvářejí periodické struktury opačně orientovaných momentů. Příkladem antiferomagnetika může být supravodič URu₂Si₂, dále chróm, slitina železa a manganu nebo oxid niklu NiO. je naopak energeticky výhodné, aby sousední spinySpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. měly opačný směr. Při nízkých teplotách vznikají periodické struktury opačně orientovaných spinů. Vlastnosti spinu v jednom místě souvisí s vlastnostmi jiného spinu, který může být i ve velké vzdálenosti. Hovoříme o tzv. korelaci na velkou vzdálenost. Teplota přechodu mezi touto uspořádanou fází a vysokoteplotní neuspořádanou fází se nazývá Néelova teplota podle francouzského fyzika Louise Néela. Antiferomagnetika se využívají v dnešních harddiscích, kde jev obří magnetorezistenceObří magnetorezistence – ovlivnění elektrického odporu látky interakcí spinu elektronu s magnetizací materiálu. Je-li materiál nanesen v několika nanovrstvách, může měnící se magnetizace některé z vrstev podstatnou měrou ovlivnit elektrický proud protékaný obvodem. Toho lze využít například ke čtení informace zapsané na harddisku. První čtecí hlava založená na tomto principu byla vyrobena v roce 1997. umožnil mnohem hustší zápis informace než v předchozí generaci harddisků. Při nízkých teplotách se běžné objemové antiferomagnetikum stane tzv. Mottovým izolátorem. Ke zcela odlišnému chování by podle teorie mělo dojít ve dvourozměrných mřížích spinů.

Podstata spinové kapaliny

V roce 1973 Phillip Anderson teoreticky zkoumal vlastnosti dvojrozměrné mříže spinů s antiferomegnetickým chováním (preferovaná je opačná orientace sousedních spinů). Uvažujme nejprve čtvercovou mříž. V základním stavu s nejnižší energií mají všechny sousední spiny opačný směr. Pokud je ale mříž trojúhelníková, mohou mít v elementární buňce mříže opačný směr jen dva spiny, třetí už bude s některým ze spinů shodný.

2D mříže spinů. Kresba autor.

Počet základních stavů trojúhelníkové elementární buňky je značný: každá strana trojúhelníku může hostit shodnou dvojici spinů buď s orientací „vzhůru“ nebo s orientací „dolů“. Celkový počet stavů s nejnižší energií je tedy 6. Pokud budeme z elementárních buněk vytvářet celou rovinu, budou se dvojice opačně orientovaných spinů z různých elementárních buněk párovat tak, aby výsledný spin základního stavu byl nulový. Počet takových základních stavů je obrovský, při velmi nízké teplotě by se měl realizovat jeden jediný. Anderson ale poukázal na to, že v kvantové teorii je možná superpozice těchto stavů, která bude také základním stavem s nejnižší energií. Pokud by se realizovala kvantová superpozice mnoha základních stavů, v níž by každý stav byl zastoupen se stejnou amplitudou, může orientace každého jednotlivého spinu při nízké teplotě kvantově fluktuovat, přitom bude jeho stav kvantově propletený se stavy všech ostatních spinů. Výsledkem je chování obdobné kapalině, i při teplotě blízké absolutní nule dochází v každém místě k divokým fluktuacím jednotlivých spinů, systém je ale přesto v nejnižším možném energetickém stavu. Anderson předpokládal, že takové látky by mohly být klíčem k vysvětlení vysokoteplotní supravodivosti a mohly by být využity v mnoha nových technologiích. Za hlavní důkaz vzniku spinové kapaliny se považují exotické excitace, které by měly mít racionální kvantová čísla.

Základní stav na trojúhelníkové mříži spinů, fialově jsou označeny dvojice vázaných,
opačně orientovaných spinů. Kresba autor.

Hledání spinové kapaliny

Experimentální potvrzení či vyvrácení existence spinových kapalin se dlouho nedařilo. Teprve v roce 2010 přišel první dílčí úspěch. Při spolupráci univerzit ve Stuttgardu a ve Würsburgu se podařilo teoreticky ukázat, že by chování spinové kapaliny mohla mít i plošná šestiúhelníková struktura obdobná grafénu. Hlavními kandidáty se staly organické soli s trojúhelníkovou mříží – EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂, κ-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ nebo vzácný minerál herbertsmitit s šestiúhelníkovou mříží (ZnCu₃(OH)₆Cl₂). V roce 2011 připravil tým Ivana Borovice z Brookhavenské národní laboratoře umělý materiál ze střídajících se vrstev oxidů mědiMěď – Cuprum, ušlechtilý kovový prvek načervenalé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivostí, dobře se mechanicky zpracovává a je odolný proti atmosférické korozi. Je základní součástí řady velmi důležitých slitin a mimořádně důležitý pro elektrotechniku. (kuprátů) a oxidů lanthanuLanthan – stříbřitě bílý, měkký přechodný kov. Chemicky je lanthan značně reaktivním prvkem. Již za normální teploty reaguje se vzdušným kyslíkem za vzniku velmi stabilního oxidu lanthanitého. S vodou reaguje lanthan zvolna za vzniku plynného vodíku Byl objeven v roce 1839 Carlem Mosanderem, v čisté podobě byl izolován až roku 1923.. Mezilehlé lanthanové vrstvy omezily interakci vrstev oxidu mědi, jejichž vzdálenost byla pouhých 0,66 nm. Vlastnosti nanesených vrstev byly zkoumány ve švýcarském Institutu Paula Scherera, tamní skupinu vedl Elvezio Morenzoni. Za pomoci speciálně vyvinuté mionové spektroskopieMionová spektroskopie – experimentální technika, při které je na vzorek vysílán svazek mionů s preferovanou orientací spinu (spinově polarizovanými miony). Pohyb spinu mionu přináší informace o prostředí, kterým mion právě prolétá. Jde o techniku podobnou magnetické rezonanci (ať jaderné nebo elektronové). se ukázalo, že vzorky s více než třemi vrstvami vykazují klasické antiferomagnetické chování a při nízké teplotě mají vlastnosti Mottova izolátoru. Vzorky s jednou nebo dvěma vrstvami oxidu mědi ale vykazovaly divoké fluktuace spinů, které se zvětšovaly s klesající teplotou. Vše nasvědčovalo tomu, že by mohlo jít o spinovou kapalinu.

V témže roce (2011) zkoumal tým vedený Francisem Prattem Velké Británii malý vrstevnatý vzorek κ-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃. Experimenty byly vyvrcholením práce trvající celých pět let. V kolektivu byli odborníci z neutronového a mionového zdroje ISIS Appletonovy-Rutherfordovy laboratoře, z Oxfordské university a ze švýcarského Institutu Paula Scherera. Za pomoci mionové spektroskopieMionová spektroskopie – experimentální technika, při které je na vzorek vysílán svazek mionů s preferovanou orientací spinu (spinově polarizovanými miony). Pohyb spinu mionu přináší informace o prostředí, kterým mion právě prolétá. Jde o techniku podobnou magnetické rezonanci (ať jaderné nebo elektronové). se jim poprvé podařilo pořídit fázový diagram chování vzorku pro teploty od 1 mK do 10 K a pro vnější magnetické pole od 1 mT do 10 T.

Zkoumaný vzorek vykazoval dva důležité fázové přechody. V levé dolní oblasti diagramu je vzorek v základním stavu GS (Ground State), kde má chování spinové kapaliny. Při vyšších teplotách přechází do kvantově kritické fáze QC (Quantum Critical) a při vyšších polích do slabé antiferomagnetické fáze označované WAF (Weak AntiFerromagnetic). Zdroj Nature.

V roce 2012 se podařilo vědcům z Pařížské univerzity a dalších pracovišť prokázat chování spinové kapaliny u vzorku připraveném z kapelasitu (antiferomagnetická látka polymorfní s herbertsmititem). K největšímu úspěchu došlo na přelomu roků 2012 a 2013, kdy se vědeckému týmu z MIT pod vedením profesora Yanga Lee podařilo po desetiměsíčním úsilí uměle připravit relativně velký vzorek herbertsmititu o rozměrech 3×6×0,8 mm. Ve vzorku se střídaly vrstvy měděných atomů se spinem 1/2 oddělené od sebe vrstvami obsahujícími nemagnetické zinkové atomy. Vzorek byl pečlivě zkoumán neutronovou a rentgenovou difraktometrií (v NISTNIST – National Institute of Standards and Technology, Americký Národní úřad standardů a technologie. Založen byl v roce 1901. Jeho laboratoře se nacházejí v Boulderu (Colorado) a v Gaithersburgu (Maryland).) a laserovou spektroskopií se střední vlnovou délkou 800 nm. Při nízkých teplotách byla prokázána fáze spinové kapaliny se zcela odlišným chováním od Mottova izolátoru. Práce týmu MIT je považována za nejprůkaznější důkaz existence spinové kapaliny.

Teoretická představa spinové kapaliny. Zdroj: Science.

Závěr

Objev spinových kapalin s sebou pravděpodobně přinese revoluci v uchovávání počítačových dat, ovlivní vývoj magnetických senzorů, kvantových počítačů, kvantové kryptografie a dalších technologií. Po feromagnetikách a antiferomagnetikách se objevuje třetí forma magnetických látek se zcela výjimečnými vlastnostmi. Chování spinových kapalin je blízké vysokoteplotní supravodivosti, a proto mohou spinové kapaliny přispět k objasnění vysokoteplotní supravodivosti a umožnit přípravu nových materiálů supravodivých za vysokých teplot. Aplikační možnosti spinových kapalin lze v tuto chvíli jen obtížně předpovědět.

Přírodní minerál herbertsmitit. Zdroj: Kaygeedeeminerals.

Odkazy