磁性液晶的发现首次直接观察自旋向列相中的自旋四极矩

液晶是一种同时具有液体和固体特性的物质状态。它可以像液体一样流动，而其组成分子则像固体一样排列。液晶如今被广泛使用，例如作为液晶显示器的核心元件。

这种材料的磁性类似物被称为“自旋向列相”，其中自旋矩发挥分子的作用。然而，尽管半个世纪前就有了预测，但尚未被直接观察到。主要挑战源于这样一个事实：大多数传统实验技术对自旋四极不敏感，而自旋四极是这种自旋向列相的定义特征。

但现在，韩国IBS人工低维电子系统中心KimBumjoon教授领导的研究小组在世界上首次成功地直接观测自旋四极子。这项工作是通过过去几十年在同步加速器设施开发方面取得的显著成就而得以实现的。

IBS研究人员将研究重点放在方晶格氧化铱Sr2IrO4上，这种材料以前因其在低温下的反铁磁偶极有序而被认可。这项研究新发现了自旋四极序的共存，它通过对磁序的干扰而变得可观察到。这种干涉信号是通过“圆二向色共振X射线衍射”检测到的，这是一种采用圆偏振X射线束的先进X射线技术。

这一发现的进一步验证是通过“偏振分辨共振非弹性X射线散射”进行的，其中显示磁激发与传统磁体的预期行为明显不同。

为了完成这些实验，韩国研究人员在过去四年里与美国阿贡国家实验室合作，在浦项加速器实验室建造了一条共振非弹性X射线散射光束线。

最后但并非最不重要的一点是，研究人员使用了一系列光学技术，包括拉曼光谱和磁光克尔效应测量，表明自旋四极矩的形成发生在比磁序更高的温度下。在此温度范围内，氧化铱仅具有自旋四极矩而没有磁序，实现了自旋向列相。

总而言之，这是对自旋向列相中自旋四极矩的首次直接观察。

“这项研究是可行的，因为韩国X射线实验的基础设施和能力已经达到了全球竞争水平，”这项研究的通讯作者KimBumjoon教授说。

“自旋向列相的发现对量子计算和信息技术也具有重大意义，”该研究的合著者、浦项科技大学教授ChoGilYoung教授补充道。

自旋向列相的另一个令人兴奋的方面是其高温超导性的潜力。在自旋向列相中，自旋高度纠缠，物理学家PWAnderson认为这是高温超导性的关键成分。

此外，由于氧化铱Sr2IrO4因其与氧化铜高温超导系统惊人的相似性而得到了广泛的研究，这也激发了人们对这种材料作为潜在的新型高温超导系统的兴趣。作为其与自旋向列相的关系。