Peneliti Korea Selatan telah membuat penemuan inovatif dengan mengamati langsung spin quadrupole dalam fase spin-nematic 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 semacam ini disebut “fase spin-nematik”, di mana momen putaran berperan sebagai molekul.
Namun, hal tersebut belum dapat diamati secara langsung meskipun telah diprediksi sejak setengah abad yang lalu. Tantangan utama berasal dari kenyataan bahwa sebagian besar teknik eksperimental konvensional tidak peka terhadap hal ini persegi berputaryang merupakan ciri khas 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 spin quadrupole. Pekerjaan ini dimungkinkan berkat pencapaian luar biasa selama beberapa dekade terakhir dalam pengembangan fasilitas sinkrotron.
Putar satu setengah momen pada kisi 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 antiferromagnet dengan fluktuasi kuantum besar (AF kuantum). Dalam iridium oksida Sr2IrO4, momen putaran kuadrupol hidup berdampingan dengan tatanan antiferromagnet miring. Kredit: Institut Ilmu Pengetahuan Dasar
Para peneliti IBS memfokuskan studi mereka pada iridium oksida kisi persegi Sr2IrO4, bahan yang sebelumnya dikenal karena tatanan dipolar antiferromagnetiknya pada suhu rendah. Studi ini baru menemukan koeksistensi tatanan spin 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.
Teknik 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 terungkap secara signifikan menyimpang dari perilaku yang diantisipasi oleh mereka yang berada di
Interferensi dipol-kuadrupol dalam difraksi sinar-X resonansi dikroik melingkar. (a) Momen spin quadrupole terbentuk pada suhu yang lebih tinggi (263 K) dibandingkan momen magnet (230 K). (b, c) Pada suhu rendah, interferensi antara spin quadrupole 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 pancaran 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 spin quadrupole terjadi pada suhu yang lebih tinggi daripada tatanan magnet. Dalam kisaran suhu ini, iridium oksida hanya memiliki momen spin quadrupole tetapi tidak memiliki tatanan magnet, sehingga mewujudkan fase spin-nematik.
Secara keseluruhan, ini adalah pengamatan langsung pertama terhadap momen spin quadrupole 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 ini dan profesor di Universitas Sains dan Teknologi Pohang.
Aspek menarik lainnya dari fase spin-nematik adalah potensi superkonduktivitas suhu tinggi. Pada fase spin-nematik, spin sangat terjerat, yang dikemukakan oleh fisikawan PW Anderson sebagai bahan utama superkonduktivitas suhu tinggi. Selanjutnya, mengingat bahwa iridium oksida Sr2IrO4 telah dipelajari secara ekstensif karena kemiripannya yang mencolok dengan sistem superkonduktor suhu tinggi tembaga-oksida, yang memicu meningkatnya 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, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-06829-4
Studi ini didanai oleh Institute for Basic Science.
