Paige Kelley utilise le diffractomètre à quatre cercles du HFIR pour étudier le trichlorure de ruthénium, obtenir sa taille de moment ordonnée avec les capacités uniques de l'instrument. Les recherches de Kelley pourraient aider à la réalisation du qubit. Où les bits représentent soit un 1 soit un 0 en informatique conventionnelle, Les qubits peuvent atteindre un état mixte appelé superposition dans lequel ils sont à la fois 1 et 0. Cette capacité est essentielle pour alimenter l'informatique quantique. Crédit :ORNL/Geneviève Martin
Paige Kelley, un chercheur postdoctoral avec une nomination conjointe à l'Université du Tennessee et le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'énergie (DOE), utilise des neutrons pour étudier des propriétés cristallines spécifiques qui pourraient conduire à la réalisation d'un liquide de spin quantique, un nouvel état de la matière qui pourrait constituer la base des futures technologies d'informatique quantique.
"Dans un liquide de spin quantique, les spins fluctuent continuellement en raison des effets quantiques et n'entrent jamais dans un arrangement statique ordonné, contrairement aux aimants conventionnels, " a déclaré Kelley. " Ces états peuvent héberger des quasi-particules exotiques qui peuvent être détectées par diffusion inélastique de neutrons. "
Récemment, elle et son équipe ont vu des preuves de ces quasiparticules dans le trichlorure d'alpha-ruthénium, quand ils ont dilué l'échantillon avec une petite quantité d'iridium. L'iridium, Kelley dit, supprime l'ordre magnétique intrinsèque à longue distance dans le trichlorure de ruthénium pur permettant d'étudier l'état liquide de spin.
L'équipe a effectué des mesures de diffraction des neutrons à basse température à l'aide de l'instrument diffractomètre à quatre cercles, ligne de lumière HB-3A, et le spectromètre à trois axes à énergie incidente fixe (FIE-TAX), HB-1A, au réacteur isotopique à haut flux de l'ORNL (HFIR), une installation utilisateur du DOE Office of Science. Ils ont utilisé les deux instruments pour étudier la structure cristalline, état fondamental magnétique, et les tailles des moments magnétiques dans les monocristaux de trichlorure de ruthénium substitué par l'iridium.
"J'ai préparé des monocristaux dans lesquels une petite quantité de ruthénium a été remplacée par des ions d'iridium non magnétiques et j'ai utilisé les instruments Four Circle et FIE-TAX pour déterminer comment cela affectait l'ordre magnétique dans le système, " a déclaré Kelley.
Lorsqu'une petite quantité d'iridium est incorporée, elle a expliqué, ils ont constaté que le début de l'état magnétiquement ordonné se produit à une température plus basse que dans le trichlorure de ruthénium pur, et l'état à basse température montre une taille de moment ordonnée plus petite. Les deux propriétés sont des indicateurs de la force des interactions magnétiques conventionnelles dans le système.
"En ajoutant de l'iridium non magnétique, nous affaiblissons l'ordre à longue distance qui rivalise avec l'état fondamental liquide de spin quantique dans le chlorure de ruthénium, " dit-elle. " La suppression de l'ordre magnétique est définitivement un pas dans la bonne direction et ouvre la possibilité de réaliser un liquide de spin quantique dans ce matériau avec une concentration en iridium suffisante. "
La diffusion des neutrons s'est avérée optimale pour les recherches de Kelley et de son équipe en raison du comportement des neutrons dans les matériaux magnétiques.
"Parce que les neutrons eux-mêmes ont un tour, la diffusion des neutrons est beaucoup plus sensible aux moments magnétiques dus aux électrons non appariés dans un échantillon que d'autres techniques telles que la diffusion des rayons X, " a déclaré Kelley.
Avant de venir à l'ORNL, Kelley a étudié la nanotechnologie en tant que chercheur universitaire à l'Université de Floride du Sud. Elle continue d'apporter de nouvelles contributions en physique de la matière condensée et dans le domaine en pleine expansion des matériaux quantiques.
"Les excitations de quasiparticules dans un liquide de spin quantique pourraient être manipulées pour construire des bits quantiques ou des qubits, l'unité de base du calcul quantique, " Kelley a déclaré. "Cette recherche pourrait éventuellement conduire à de grands progrès dans ce domaine."
