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中子探测超冷冷凝物以了解量子物质

玻色-爱因斯坦凝聚物是物质的宏观量子相,仅在非常特殊的条件下出现。了解有关物质的这些阶段的更多信息可以帮助研究人员更好地理解基本量子行为,并可能为未来的量子技术做出贡献。

中子探测超冷冷凝物以了解量子物质

这就是为什么凯特·罗斯(Kate Ross)和博士。来自科罗拉多州立大学的研究人员的候选人加文·海斯特(Gavin Hester)在能源部(DOE)的橡树岭国家实验室(ORNL)探测一种名为硅酸y的材料。罗斯认为,硅酸,是唯一一种基于稀土元素的磁性材料,能显示出玻色-爱因斯坦凝聚物的证据,它可能是理解其他基于稀土元素的磁体中量子现象的关键。通过希望用中子探测硅酸样品,罗斯希望生成这种独特的玻色-爱因斯坦凝聚物的详细图谱,然后通过识别其他磁性材料中的奇异量子态来使用该图谱来验证她的假设。罗斯和她的合作者在发表在该杂志上的论文中讨论了他们的发现体检信。

罗斯说:“如果我们能更好地了解在这种材料中看到的玻色-爱因斯坦凝聚物,那么我们就有可能利用该知识在其他基于稀土元素的磁性材料中发现相似的多体量子态。”

罗斯解释说,玻色-爱因斯坦凝聚物(也称为BEC相)是一种量子流体,其中的粒子像单个实体一样停止运转,而表现得像波在单个统一系统的结构中彼此同步移动。它不同于任何固体,液体,气体或等离子,仅在接近绝对零或0 K(约-460°F)的温度下出现。科学家对于这种独特的物质状态仍然有很多了解,但是希望其独特的特性有一天可能会有助于先进的材料。

“玻色-爱因斯坦凝聚物与当前的量子技术提案之间没有直接联系。但是,我们也有很多关于这种材料如何表现的知识,回答一些有关量子现象的基本问题将是未来科学成就的基础。 ,”海丝特说。

对于初学者,长期以来一直认为玻色-爱因斯坦凝聚物不会出现在基于稀土元素的磁性材料中,因为这些特殊的磁性相互作用似乎各向同性,不足以出现BEC相。但是,Ross和她的团队在过去的实验中观察到了硅酸B BEC相的证据后,怀疑这一假设可能是错误的。

罗斯说:“当我们看到BEC阶段的证据时,我们感到非常惊讶。这表明是形成多体量子态的通用性更强的成分。”

为了更好地了解硅酸承载BEC相的能力,罗斯在ORNL的散裂中子源(SNS)上使用了冷中子斩波光谱仪或CNCS,并在其上使用了固定入射能三轴谱仪或FIE-TAX。高通量同位素反应堆(HFIR)用于探测硅酸y的结晶样品。X射线和中子散射的补充测量是在阿贡国家实验室和美国国家标准与技术研究所进行的。

这些实验已经进行了将近4年。Ross的研究小组于2015年首次开始生长硅酸y样品,并绘制了这种材料的行为图。与他们的合作者一起,他们使用了加拿大科罗拉多州立大学和加拿大舍布鲁克大学的各种探针来初步了解该材料的行为,但是他们渴望使用中子散射来探测样品。

赫斯特说:“中子正在深入渗透,当它们通过我们的样品时,它们会搅动这些新兴的量子粒子,从而使我们能够准确地准确评估这些粒子在硅酸tter的微观结构中的行为。”

为了准备他们的样品用于中子散射,Ross和她的合作者必须切割并对准每个单独的晶体,以使每个晶​​体指向同一方向。此外,罗斯必须将硅酸样品暴露在磁场中,并使用特殊的冷却室将其降至寒冷的-459.28°F,该温度比星际空间低,并且非常接近绝对零值。

罗斯说:“把这个实验放在一起进行了大量的工作,但是我们得到的数据绝对值得付出努力。”

Ross和Hester希望他们的工作不仅可以阐明硅酸的BEC相是如何独特的,而且可以使研究人员更好地了解量子现象,因为它们通常出现在其他基于稀土元素的磁性材料中。

“我们更多地了解这个BEC阶段很有兴趣镱硅酸盐明确,但我们希望我们这里学到的知识也将帮助我们的同事发现在基于稀土材料更多的量子状态。这种基本认识是形成至关重要未来量子技术的物质平台。”罗斯说。

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