आयरन आयोडाइड के रहस्यमय चुंबकत्व के पीछे 40 साल पुराने रहस्य को न्यूट्रॉन ने इकट्ठा किया

आयरन आयोडाइड के रहस्यमय चुंबकत्व के पीछे 40 साल पुराने रहस्य को न्यूट्रॉन ने इकट्ठा किया

शोधकर्ता ज़ियाओजियान बाई और उनके सहयोगियों ने 1929 में खोजे गए आयरन आयोडाइड के एक काफी सरल पदार्थ में छिपे हुए क्वांटम उतार-चढ़ाव की खोज के लिए ओआरएनएल के स्पेलेशन न्यूट्रॉन स्रोत में न्यूट्रॉन का उपयोग किया। शोध इंगित करता है कि कई समान चुंबकीय सामग्री में क्वांटम गुण खोजे जाने की प्रतीक्षा में हो सकते हैं। क्रेडिट: ओआरएनएल / जेनेवीव मार्टिन

नए गुणों वाली उन्नत सामग्री को हमेशा संघटक सूची में अधिक आइटम जोड़कर विकसित किया जाता है। लेकिन क्वांटम अनुसंधान इंगित करता है कि कुछ सरल सामग्रियों में वास्तव में उन्नत गुण हो सकते हैं जिन्हें वैज्ञानिक अभी तक नहीं देख सकते हैं।


जॉर्जिया टेक और यूनिवर्सिटी ऑफ टेनेसी नॉक्सविले के शोधकर्ताओं ने एक साधारण आयरन आयोडाइड (FeI) सामग्री में एक छिपे हुए और अप्रत्याशित क्वांटम व्यवहार का खुलासा किया है।2यह लगभग एक सदी पहले खोजा गया था। सामग्री के व्यवहार में नई शोध अंतर्दृष्टि को डीओई के ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी (डीओई) (ओआरएनएल) में न्यूट्रॉन स्कैटरिंग प्रयोगों और सैद्धांतिक भौतिकी गणनाओं के संयोजन का उपयोग करके सक्षम किया गया था।

टीम परिणाम – जर्नल में प्रकाशित published प्रकृति भौतिकीपदार्थ के रहस्यमय व्यवहार के बारे में 40 साल पुरानी पहेली को हल करता है और अन्य सामग्रियों में क्वांटम घटना के खजाने को अनलॉक करने के लिए मानचित्र के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

अखबार के पहले लेखक जिओ जियानबाई ने कहा, “हमारी खोज काफी हद तक जिज्ञासा से प्रेरित थी।” बे ने अपनी पीएच.डी. जॉर्जिया टेक में और ओआरएनएल में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता के रूप में काम करता है, जहां वह अध्ययन के लिए न्यूट्रॉन का उपयोग करता है चुंबकीय सामग्री. “मैं अपने पीएचडी थीसिस प्रोजेक्ट के हिस्से के रूप में 2019 में इस आयरन आयोडाइड सामग्री में आया था। मैं एक त्रिकोणीय चुंबकीय जाली व्यवस्था के साथ यौगिकों को खोजने की कोशिश कर रहा था जो तथाकथित” निराश चुंबकत्व ” प्रदर्शित करते हैं।

सामान्य चुम्बकों में, जैसे कि रेफ्रिजरेटर चुम्बक, सामग्री के इलेक्ट्रॉनों को तीरों की तरह एक पंक्ति में व्यवस्थित किया जाता है जो या तो सभी एक ही दिशा में – ऊपर या नीचे – या ऊपर और नीचे के बीच वैकल्पिक होते हैं। जिन दिशाओं को इलेक्ट्रॉन इंगित करते हैं उन्हें “स्पिन” कहा जाता है। लेकिन आयरन आयोडाइड जैसी अधिक जटिल सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉनों को एक त्रिकोणीय नेटवर्क में व्यवस्थित किया जाता है, जहां चुंबकीय बल तीन चुंबकीय क्षणों के बीच हस्तक्षेप करते हैं और यह सुनिश्चित नहीं करते हैं कि किस दिशा को निर्देशित किया जाए – इसलिए, “निराश चुंबकत्व”।

“जैसा कि मैं सभी साहित्य पढ़ रहा था, मैंने इस यौगिक, आयरन आयोडाइड पर ध्यान दिया, जिसे 1929 में खोजा गया था और 1970 और 1980 के दशक में काफी व्यापक रूप से अध्ययन किया गया था,” बे ने कहा। “उस समय, उन्होंने कुछ अपरंपरागत लक्षण या व्यवहार के पैटर्न देखे, लेकिन उनके पास वास्तव में यह समझने के लिए संसाधन नहीं थे कि उन्होंने इसे क्यों देखा। इसलिए, हमने सीखा कि कुछ अजीब और दिलचस्प अनसुलझा था, और इसकी तुलना चालीस वर्षों से की जा रही थी। पहले, हमारे पास उपकरण हैं। अधिक प्रभावी प्रयोग उपलब्ध हैं, इसलिए हमने इस मुद्दे पर पुनर्विचार करने का निर्णय लिया और कुछ नए विचार प्रस्तुत करने की आशा की।”

क्वांटम सामग्री को अक्सर ऐसे सिस्टम के रूप में वर्णित किया जाता है जो अजीब व्यवहार प्रदर्शित करते हैं और भौतिकी के क्लासिक नियमों को तोड़ते हैं – जैसे एक ठोस जो तरल की तरह व्यवहार करता है, कणों के साथ जो पानी की तरह चलते हैं और ठंड के तापमान पर भी गति को रोकने या रोकने से इनकार करते हैं। यह समझना कि ये अजीब घटनाएं कैसे काम करती हैं, या उनके बुनियादी तंत्र, इलेक्ट्रॉनिक्स को विकसित करने और अगली पीढ़ी की अन्य तकनीकों को विकसित करने की कुंजी है।

मार्टिन मोरेगल ने कहा, “क्वांटम सामग्री में, बहुत महत्व की दो चीजें हैं: द्रव, ठोस और गैस जैसे पदार्थ के चरण, और उन चरणों की उत्तेजना, जैसे ध्वनि तरंगें। इसी तरह, स्पिन तरंगें एक की उत्तेजनाएं हैं चुंबकीय ठोस,” जॉर्जिया इंस्टीट्यूट फॉर टेक्नोलॉजी में भौतिकी के प्रोफेसर। लंबे समय से, क्वांटम सामग्री में हमारी खोज अजीब चरणों को खोजने की रही है, लेकिन इस शोध में हमने खुद से जो सवाल पूछा है, वह यह है कि “चरण खुद अजीब नहीं लग सकता है, लेकिन क्या होगा अगर यह उत्साहित था? “और यह वही है जो हमने पहले ही पाया है।”

न्यूट्रॉन चुंबकत्व का अध्ययन करने के लिए आदर्श सेंसर हैं क्योंकि वे बदले में, माइक्रोमैग्नेट के रूप में कार्य करते हैं और इसका उपयोग अन्य चुंबकीय कणों के साथ बातचीत करने और पदार्थ की परमाणु संरचना से समझौता किए बिना उत्तेजना को उत्तेजित करने के लिए किया जा सकता है।

बे न्यूट्रॉन से परिचित हो गए, जब वह जॉर्जिया टेक में मोरीगल में स्नातक छात्र थे। मॉरीगल कई वर्षों से ओआरएनएल के हाई फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर (एचएफआईआर) और स्पेलेशन न्यूट्रॉन सोर्स (एसएनएस) में न्यूट्रॉन स्कैटरिंग का लगातार उपयोगकर्ता रहा है, क्वांटम सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला का अध्ययन करने के लिए ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय की उपयोगकर्ता सुविधाओं का उपयोग कर रहा है। विभिन्न और विशिष्ट व्यवहार।

जब बे और मोरीगल ने लोहे के आयोडाइड को न्यूट्रॉन के एक बीम से उजागर किया, तो उन्हें एक इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय क्षण से जुड़ी एक निश्चित उत्तेजना या ऊर्जा की एक श्रृंखला देखने की उम्मीद थी; इसके बजाय, उन्होंने दो अलग-अलग क्वांटम उतार-चढ़ाव एक साथ उभरते हुए नहीं देखे।

“न्यूट्रॉनों ने हमें इस सूक्ष्म दोलन को बहुत स्पष्ट रूप से देखने की अनुमति दी,” बे ने कहा। “हम उत्तेजना के पूरे स्पेक्ट्रम को माप सकते हैं, लेकिन हम अभी भी यह नहीं समझते हैं कि हम इस तरह के असामान्य व्यवहार को एक प्रतीत होता है कि क्लासिक चरण में क्यों देखते हैं।”

जवाब के लिए, उन्होंने सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी क्रिश्चियन बतिस्ता, टेनेसी-नॉक्सविले विश्वविद्यालय में लिंकन प्रोफेसर और ओआरएनएल के स्कॉल वूलन सेंटर के उप निदेशक की ओर रुख किया – न्यूट्रॉन विज्ञान का एक संयुक्त संस्थान जो न्यूट्रॉन बिखरने में अतिरिक्त संसाधनों और विशेषज्ञता के साथ आने वाले शोधकर्ताओं को प्रदान करता है।

आयरन आयोडाइड के रहस्यमय चुंबकत्व के पीछे 40 साल पुराने रहस्य को न्यूट्रॉन ने इकट्ठा किया

पाई (ऊपर) द्वारा अनुरक्षित आयरन आयोडाइड का एक छोटा सा नमूना संश्लेषित और न्यूट्रॉन बिखरने वाले प्रयोगों के लिए तैयार किया गया था जो सामग्री के मूल चुंबकीय उत्तेजना को मापने के लिए उपयोग किए गए थे। क्रेडिट: ओआरएनएल / जेनेवीव मार्टिन

बतिस्ता और उनके समूह की मदद से, टीम रहस्यमय क्वांटम दोलन व्यवहार का एक गणितीय मॉडल विकसित करने में सक्षम थी, और SNS में कोरेली और SEQUOIA उपकरणों का उपयोग करके अतिरिक्त न्यूट्रॉन प्रयोग करने के बाद, वे उस तंत्र को निर्धारित करने में सक्षम थे जिसके कारण यह हुआ। होना। दिखाता है।

“सिद्धांत क्या भविष्यवाणी करता है और हम न्यूट्रॉन का उपयोग करने की पुष्टि करने में सक्षम थे, यह अजीब उतार-चढ़ाव तब होता है जब घूर्णन की दिशा दो इलेक्ट्रॉनों के बीच उलट जाती है। चुंबकीय क्षण “विपरीत दिशाओं में झुकें,” बतिस्ता ने कहा। जब न्यूट्रॉन इलेक्ट्रॉनों के स्पिन के साथ बातचीत करते हैं, तो स्पिन अंतरिक्ष में एक विशिष्ट दिशा के साथ समकालिक रूप से घूमते हैं। न्यूट्रॉन के प्रकीर्णन से उत्पन्न यह कोरियोग्राफी एक स्पिन तरंग बनाती है।”

उन्होंने समझाया कि विभिन्न सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉनिक पाठ्यक्रम कई अलग-अलग दिशाएँ और नृत्यकलाएँ ले सकते हैं जो विभिन्न प्रकार के का निर्माण करते हैं स्पिन तरंगें. क्वांटम यांत्रिकी में, इस अवधारणा को “तरंग-कण द्वैत” के रूप में जाना जाता है, जिससे नई तरंगों को नए कण माना जाता है और आमतौर पर सामान्य परिस्थितियों में न्यूट्रॉन के बिखरने से छिपा होता है।

“एक मायने में, हम काले कणों की तलाश कर रहे हैं,” बतिस्ता ने कहा। “हम उन्हें नहीं देख सकते हैं, लेकिन हम जानते हैं कि वे वहां हैं क्योंकि हम उनके प्रभाव देख सकते हैं, या कणों के साथ उनकी बातचीत जो हम देख सकते हैं।”

बे ने कहा, “क्वांटम यांत्रिकी में, तरंगों और कणों के बीच कोई अंतर नहीं है। हम एक कण के व्यवहार को उसकी तरंग दैर्ध्य के आधार पर समझते हैं, और यही न्यूट्रॉन हमें मापने की अनुमति देता है।”

मोरगल ने जिस तरह से न्यूट्रॉन कणों का पता लगाने के तरीके की तुलना समुद्र की सतह पर चट्टानों के चारों ओर अपवर्तक तरंगों से की।

“स्थिर पानी में, हम समुद्र के तल पर चट्टानों को तब तक नहीं देख सकते जब तक कि लहर उन पर न चढ़ जाए,” मोरेगल ने कहा। केवल न्यूट्रॉन के साथ अधिक से अधिक तरंगों का निर्माण करके, ईसाई सिद्धांत के माध्यम से, जिआओजियान चट्टानों की पहचान करने में सक्षम था, या इस मामले में, सूक्ष्म उतार-चढ़ाव को दृश्यमान बनाने वाली बातचीत।

क्वांटम चुंबकीय व्यवहार का उपयोग करने से पहले से ही तकनीकी प्रगति हुई है जैसे चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग मशीन और चुंबकीय हार्ड डिस्क भंडारण जिसने व्यक्तिगत कंप्यूटिंग को प्रेरित किया है। अधिक विदेशी क्वांटम सामग्री प्रौद्योगिकी की अगली लहर को तेज कर सकती है।

बाई, मोरेगल और बतिस्ता के अलावा, पेपर के लेखकों में शांग-शुन झांग, चिलिंग डन, हाओ झांग, चेंग हुआंग, हैडोंग ज़ूओ, मैथ्यू स्टोन, अलेक्जेंडर कोलेसनिकोव और फेंग यी शामिल हैं।

उनकी खोज के बाद से, टीम ने उन जानकारियों का उपयोग उन सामग्रियों के व्यापक सेट में भविष्यवाणियों को विकसित करने और परीक्षण करने के लिए किया है जिनकी उन्हें उम्मीद है कि वे सबसे आशाजनक परिणाम प्राप्त करेंगे।

“जैसा कि हम एक पदार्थ में अधिक घटकों को पेश करते हैं, हम गड़बड़ी और विषमता जैसी संभावित समस्याओं को भी बढ़ाते हैं। अगर हम वास्तव में स्वच्छ, सामग्री-आधारित क्वांटम मैकेनिकल सिस्टम को समझना और बनाना चाहते हैं, तो इन सरल प्रणालियों पर वापस जाना हमारे से अधिक महत्वपूर्ण हो सकता है सोचा, “मोरगल ने कहा। ..

“यह आयरन आयोडाइड के रहस्यमय उत्साह की 40 वर्षीय पहेली को हल करता है,” बाई ने कहा। “आज हमें बड़े पैमाने पर आगे बढ़ने का फायदा है” न्यूट्रॉन एसएनएस जैसी सुविधाएं जो मूल रूप से हमें इन अजीब उत्तेजनाओं के साथ क्या हो रहा है यह देखने के लिए पदार्थ की पूर्ण ऊर्जा और गति स्थान की जांच करने की अनुमति देती हैं।

“अब जब हम समझते हैं कि यह अजीब व्यवहार अपेक्षाकृत सरल मामले में कैसे काम करता है, तो हम कल्पना कर सकते हैं कि हम और अधिक जटिल सामग्रियों में क्या पा सकते हैं। हमने इस नई समझ को प्रेरित किया है और उम्मीद है कि यह वैज्ञानिक समुदाय को इस प्रकार की अधिक सामग्री की जांच करने के लिए प्रोत्साहित करेगा। जो निश्चित रूप से भौतिकी की ओर ले जाएगा। अधिक दिलचस्प। ”


न्यूट्रॉन बेसोलाइट कॉपर मिनरल में क्वांटम उलझाव का पता लगाते हैं


अधिक जानकारी:
Xiaojian बाई एट अल, FeI2 घूर्णी अनिसोट्रोपिक फॉयल चुंबक में हाइब्रिड चौगुनी उत्तेजना, प्रकृति भौतिकी (२०२१)। डीओआई: 10.1038 / s41567-020-01110-1

उद्धरण: न्यूट्रॉन ने आयरन आयोडाइड के रहस्यमय चुंबकत्व के पीछे 40 साल का रहस्य इकट्ठा किया (2021, 20 मई) 20 मई, 2021 को https://phys.org/news/2021-05-neutrons-piece-year-puzzle-iron से लिया गया। -आयोडाइड। प्रोग्रामिंग भाषा

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