Peneliti Korea Selatan telah membuat penemuan inovatif dengan mengamati secara langsung putaran quadrupole dalam fase spin-nematik menggunakan teknik sinar-X dan optik yang canggih. Pencapaian dalam mempelajari Sr2IrO4 ini membuka kemungkinan baru dalam komputasi kuantum dan penelitian superkonduktivitas suhu tinggi.
“Fase spin-nematik”, analog magnetik kristal cair, telah diamati untuk pertama kalinya dalam sistem putaran kuantum.
Kristal cair mewakili keadaan materi yang unik, menggabungkan karakteristik cairan dan padatan. Ia memiliki kemampuan untuk mengalir mirip dengan cairan, namun molekul-molekulnya mempertahankan keselarasan seperti yang ditemukan pada padatan. Kristal cair banyak digunakan saat ini, misalnya sebagai elemen inti perangkat LCD. Analog magnetik dari bahan tersebut adalah apa yang disebut “fase spin-nematik”, di mana momen spin bertindak sebagai molekul.
Namun hal tersebut tidak bisa diamati secara langsung meski telah diprediksi setengah abad yang lalu. Tantangan utama berasal dari kenyataan bahwa sebagian besar teknik eksperimental konvensional tidak sensitif terhadap hal ini segi empat berputaryang merupakan karakteristik fase spin-nematik ini.
Terobosan dalam Pengamatan Fase Spin-Nematic
Namun kini, untuk pertama kalinya di dunia, tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Kim Bumjoon di IBS Center for Artificial Low Dimensional Electronic Systems di Korea Selatan berhasil mengamati secara langsung putaran quadrupole. Pekerjaan ini terwujud berkat pencapaian luar biasa selama beberapa dekade terakhir dalam pengembangan fasilitas sinkrotron.
Putar satu setengah momen pada kotak persegi. Selain tatanan antiferromagnetik klasik (AF klasik), momen putaran dapat memiliki berbagai keadaan dasar magnet, seperti superposisi konfigurasi spin-singlet (ikatan valensi resonansi; RVB) atau antiferromagnetisme dengan fluktuasi kuantum besar (AF kuantum). Dalam iridium oksida Sr2IrO4, momen putaran kuadrupol hidup berdampingan dengan tatanan antiferromagnetik miring. Kredit: Institut Ilmu Pengetahuan Dasar
Para peneliti IBS memfokuskan studi mereka pada kisi persegi iridium oksida Sr2IrO4, bahan yang sebelumnya dikenal dengan tatanan dipolar antiferromagnetik pada suhu rendah. Studi baru ini menemukan koeksistensi tatanan putaran quadrupolar, yang dapat diamati melalui interferensinya terhadap tatanan magnet. Sinyal interferensi ini dideteksi dengan 'difraksi sinar-x resonansi dichroic melingkar', suatu teknik sinar-x canggih yang menggunakan sinar x-ray terpolarisasi sirkular.
Rekayasa dan Kolaborasi Tingkat Lanjut
Verifikasi lebih lanjut atas penemuan ini dilakukan melalui 'hamburan sinar-X inelastis resonansi yang diselesaikan dengan polarisasi', di mana eksitasi magnetis dinyatakan menyimpang secara signifikan dari perilaku yang diantisipasi oleh mereka yang berada di
Interferensi dipol-kuadrupol dalam difraksi sinar-X resonansi dikroik melingkar. (a) Momen putaran kuadrupol terbentuk pada suhu yang lebih tinggi (263 K) dibandingkan momen magnet (230 K). (b, c) Pada suhu rendah, interferensi antara putaran kuadrupol dan momen magnet dimanifestasikan oleh difraksi sinar-X resonansi dichroic melingkar, perbedaan sinyal magnetik antara berkas sinar-X tangan kiri dan tangan kanan. Kredit: Institut Ilmu Pengetahuan Dasar
magnet konvensional. Untuk menyelesaikan percobaan ini, para peneliti di Korea Selatan telah berkolaborasi dengan Laboratorium Nasional Argonne di AS untuk membangun garis hamburan sinar-X inelastis resonansi di Laboratorium Akselerator Pohang selama empat tahun terakhir.
Terakhir, para peneliti menggunakan serangkaian teknik optik, termasuk spektroskopi Raman dan pengukuran efek magneto-optik Kerr, untuk menunjukkan bahwa pembentukan momen putaran kuadrupol terjadi pada suhu yang lebih tinggi dari tatanan magnet. Dalam kisaran suhu ini, iridium oksida hanya memiliki momen putaran kuadrupol tetapi tidak memiliki tatanan magnet, sehingga menciptakan fase spin-nematik.
Secara keseluruhan, ini adalah observasi langsung pertama momen putaran kuadrupol dalam fase spin-nematik.
(a, b) Gambar (a) dan foto (b) spektrometer hamburan sinar-x inelastis resonansi yang dipasang pada garis berkas 1C PLS-II. Kredit: Institut Ilmu Pengetahuan Dasar
“Penelitian ini layak dilakukan karena infrastruktur dan kemampuan eksperimen sinar-X di Korea Selatan telah mencapai tingkat kompetitif global,” kata Prof. Kim Bumjoon, penulis studi ini.
“Penemuan fase spin-nematic juga mempunyai implikasi yang signifikan komputasi kuantum dan teknologi informasi,” tambah Prof. Cho Gil Young, salah satu penulis studi dan profesor di Universitas Sains dan Teknologi Pohang.
Aspek menarik lainnya dari fase spin-nematik adalah potensi superkonduktivitas suhu tinggi. Pada fase spin-nematik, putaran sangat terjerat, yang diusulkan oleh fisikawan PW Anderson sebagai bahan utama superkonduktivitas suhu tinggi. Lebih lanjut, mengingat iridium oksida Sr2IrO4 telah dipelajari secara ekstensif karena kemiripannya yang mencolok dengan sistem superkonduktor suhu tinggi tembaga-oksida, yang telah memicu peningkatan minat terhadap material ini sebagai sistem superkonduktor suhu tinggi yang berpotensi baru, serta hubungannya dengan fase spin-nematik.
Referensi: “Fase nematik putaran kuantum dalam iridate kisi persegi” oleh Hoon Kim, Jin-Kwang Kim, Junyoung Kwon, Jimin Kim, Hyun-Woo J. Kim, Seunghyeok Ha, Kwangrae Kim, Wonjun Lee, Jonghwan Kim, Gil Young Cho, Hyeokjun Heo, Joonho Jang, CJ Sahle, A. Longo, J. Strempfer, G. Fabbris, Y. Choi, D. Haskel, Jungho Kim, J.-W. Kim dan BJ Kim, 13 Desember 2023, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-023-06829-4
Penelitian ini didanai oleh Institute for Basic Science.
NewsRoom.id
