Projekti / Programi
Zaznavanje spinskih stanj v bližini površine kvantnih spinskih materialov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P260 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: elektronska struktura, električne, magnetne in optične lstnosti, supraprevodniki, magnetna rezonanca, relaksacija, spektroskopija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
magnetna resonanca, kvantni spinski sistemi, superprevodnost
Raziskovalci (9)
Organizacije (2)
Povzetek
Cilj tega projekta je razvoj in uporaba naprednih magnetno resonančnih tehnik in njihovo združevanje z mikroskopskimi tehnikami z visoko krajevno resolucijo. S tem želimo premakniti meje občutljivosti, ki je potrebna za raziskave novih stanj v kvantnih spinskih sistemih, ki tekmujejo na skali reda velikosti 10 nm. Kvantni spinski materiali z nizko-dimenzionalnimi in geometrijsko frustriranimi mrežami, kjer vse medsebojne interakcije ne morejo biti hkrati optimizirane, pogosto kažejo nova netrivialna stanja snovi. V prihodnosti bodo pomembni tudi pri razvoju kvantnih tehnologij, kot je meroslovje na temelju kvantne prepletenosti ali pa topološko kvantno računanje. Njihova uporabnost temelji na kompleksnosti faznih diagramov, ki pogosto zajemajo stanja z značilno prepletenostjo prostostnih stopenj (spinska vrtilna količina, tirna vrtilna količina, naboj, ali pa mreža) in ki medsebojno tekmujejo ter vodijo do nenavadnega magnetnega odziva na različnih krajevnih in časovnih skalah. Področja v faznih diagramih, za katera so značilne nanometrske nehomogenosti, to je modulacijami spinske strukture na skali nekaj 10 nm kot posledica geometrijske frustracije ali pa dopiranja z magnetnimi in nemagnetnimi nečistotami, so pomemben odraz takšne kompleksnosti in zahtevajo napredne teoretične koncepte in eksperimentalne tehnike, ki pogosto presegajo razpoložljive najsodobnejše eksperimentalne metode. Kvantnih spinskih materialov s tovrstnimi nanometrskimi nehomogenostmi ne moremo zadovoljivo raziskovati z običajnimi tehnikami magnetne resonance predvsem zaradi njihove nizke občutljivosti, ki tipično zahtevajo vzorce z ) 1015 spini. Ta pomanjkljivost prav tako onemogoča kakršnokoli manipulacijo kvantnih spinskih sistemov.
Projektna ekipa z bogato zgodovino raziskav kvantnih spinskih materialov in razvoja eksperimentalnih metod je nedavno pričela z raziskavami dveh zanimivih geometrijsko frustriranih sistemov, in sicer spojino β-TeVO4 s frustriranimi spinskimi verigami in 1T-TaS2 s plastovito trikotno mrežo. Spinske nehomogenosti se v β-TeVO4 spontano razvijejo na skali okoli 10 nm, v 1T-TaS2 pa zaradi prisotnosti (ne)magnetnih nečistoč, ki podirajo kvantno spinsko tekočino. Da bi raziskali statične in dinamične lastnosti teh dveh modelnih spojin, predlagamo razvoj novih eksperimentalnih metod, ki temeljijo na magnetni resonanci, vendar so hkrati sposobne določiti signal tudi na površini z natančnostjo približno 10 nm. Metode vključujejo zajemanje elektronskih paramagnetnih resonančnih signalov z uporabo »microstrip« resonatorjev izdelanih iz superprevodnih materialov, uporabo nizko-energijskih površinskih mionov, zaznavanje signala magnetne resonance pri kriogenih temperaturah z preko magnetne sile ali pa z uporabo magnetometrije z dušikovimi nečistočami v diamantih, kar izboljša občutljivost resonančne sonde na okoli 104 spinov. Z razvijanjem, primerjanjem in integracijo teh štirih različnih površinsko občutljivih eksperimentalnih platform, bo glavni preboj projekta kontrolirana eksperimentalna simulacija osnovnih Hamiltonovih funkcij za frustrirane kvantne spinske materiale, ki vodijo do nanometrskih nehomogenosti. Rezultati bodo omogočili natančno karakterizacijo faznih diagramov modelnih sistemov in določanje osnovnih lastnosti stanj, kot so kvantne tekočine, globalni topološki red in frakcionalne vzbuditve.
Z izboljšano občutljivostjo magnetne resonance za več kot 10 redov velikosti, bodo najpomembnejši prispevki projekta novi vpogledi v fiziko več-delčnih kvantnih sistemov s ključnimi elementi kompleksnosti. Poleg tega bodo rezultati verjetno spodbudili tudi nove smeri v raziskavah, kjer so kvantni pojavi omejeni na površino (topološki izolatorji, Dirac (in tudi njihovi tridimenzionalni analogni Weyl) polkovine, ...).
Pomen za razvoj znanosti
Na ravni EU je bila pobuda za drugo kvantno revolucijo določena z dokumentom Quantum Manifesto [http://qurope.eu/system/files/u567/Quantum%20Manifesto.pdf] in v okviru programov H2020 je EU potrdila kvantne tehnologije kot eno od prednostnih nalog 21. stoletja. V znanstveni skupnosti je torej splošno sprejeto, da so kvantne tehnologije trenutno ena najhitreje razvijajočih se znanstvenih disciplin. Tukaj predlagamo ambiciozen raziskovalni projekt, ki je v sami špici današnjih kvantnih spin materialov in naprednih metod merjenja. V projektu obravnavamo več vprašanj, ki lahko v prihodnosti močno vplivajo na:
1.) Študije kvantnih spinskih materialov, ko lokalne nehomogenosti zmotijo osnovno stanje. To je izjemno pomembno področje raziskav, saj se v takšnih primerih lahko razvijejo povsem nova stanja snovi. Ta projekt se bo osredotočil na frustrirane spinske sisteme - najbolj rodovitno področje za razvoj novih konceptov in iskanje novih modelnih sistemov s potencialnimi aplikacijami. S preučevanjem skrbno izbranih modelnih sistemov bomo sistematično sledili na nanometrski skali, kako QSL podira in kako ga nato nadomešča drugo nekonvencionalno stanjem (npr. superprevodno stanje). Tovrstne raziskave doslej še nikoli niso združevale visoke energijske ločljivosti magnetne resonance in visoke prostorske ločljivosti mikroskopije. Prav tako še niso sistematično raziskovali dinamike spinskih nehomogenosti, čeprav je to izredno pomembno vprašanje za nastanek tovrstnih enigmatske faze. Tako bodo odgovori na ta vprašanja potisnili skrajni domet našega znanja v izbranih smereh in odprli nove znanstvene in tehnološke poti v prihodnjih kvantnih spin materialih.
2.) Nove metode pri zaznavanju signala magnetne resonance: Glavna pomanjkljivost standardnih tehnik magnetne resonance je prav njihova občutljivost. Čeprav so to lokalne tehnike, so bile njihove aplikacije na področju nanomaterialov zelo omejene. Ta projekt predlaga inovativne pristope, ki se soočajo prav s tem vprašanjem. Kolikor nam je znano, v literaturi še ni objave, v katerem bi se uporabljala diamantna NV magnetometrija skupaj s kriogenim sistemom pozicioniranja za zaznavanje magnetnega resonančnega signala pri nizkih temperaturah. Napredek pri razvoju tega instrumenta bo še posebej pomemben saj se lahko uporabi za širok nabor problemov povezanih z elektronskimi sistemi s kompleksnimi faznimi diagrami. Poleg tega je to pomembne korak pri razvoju metode za zaznavanje enega samega spina pri kriogenih temperaturah in torej tudi proti nastajajočim kvantnim tehnologijam.
Predlagani projekt bo poleg zagotavljanja pomembnih novih vpogledov v fiziko kompleksnih kvantnih spinskih sistemov torej predstavljal tudi znaten korak proti arhitekturam za topološko zaščiteno kvantno računanje in kvantno informacijskim tehnologijam.
Pomen za razvoj Slovenije
At the level of EU, the initiative for the second quantum revolution has been set with the Quantum Manifesto document [http://qurope.eu/system/files/u567/Quantum%20Manifesto.pdf ] and within H2020 programs EU has endorsed quantum technologies as one of the priorities in 21st century. It is thus generally accepted within the scientific community that quantum technologies are currently one of the fastest developing scientific disciplines. Here we propose an ambitious research project, which is at the cutting edge of today's quantum spin materials and quantum detection science and we address several questions, which may have profound impact in the future:
1.) Studies of quantum spin materials, when local inhomogeneities perturb the ground state. This is an extremely important field of research, because in such cases new states of matter may develop. This project will focus on frustrated spin systems – the most fertile ground for the development of new concepts, finding new model systems with potential applications. By studying carefully selected model systems, we will systematically follow on the nanometric scale how QSL is destroyed and then replaced by another unconventional state (e.g., superconducting state). This has never been tried before by merging the high energy resolution of magnetic resonance and the high spatial resolution of microscopy. Next, the dynamics of spin stripe phases (or spin textures in general) has not yet been studied, although it is of general importance to understand the formation of such enigmatic phase and to predict where to search for it in the future. Thus, the answers to these questions will push the limits of our knowledge in the selected directions, and open new scientific and technological pathways in future quantum spin materials.
2.) Novel methods in the magnetic resonance detection: The main drawback of current(conventional) magnetic resonance techniques is their sensitivity. Despite being local probe techniques, their applications at the nanoscale have been limited. This project proposes innovative approaches that tackle this issue. To our knowledge, there is no report in the literature where diamond NV magnetometry is applied together with the cryogenic positioning system to detect magnetic resonance signal at low temperatures. The advances in this instrumentation development will be of particular importance – they could be applied to the broad range of problems in correlated electron systems with complex phase diagrams. Moreover, the instrumentation development in the direction of single spin detection at the cryogenic temperatures may be the first step towards emerging quantum technologies.
Therefore, besides providing crucial insights in the physics of complex quantum spin systems, it will be a foundational step in the realization of single spin detection and the large-scale architectures for topologically protected quantum computation and information.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
