پذیرفتاری مغناطیسی یک ماده تعیین می‌کند هنگامی که ماده در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد چقدر مغناطیده شده است. این ویژگی ماکروسکوپیک در نتیجه‌ی مشارکت حالت‌های کوانتومی زیادی با گشتاورهای مغناطیسی غیرصفر است. گرچه اندازه‌گیری معمولی پذیرفتاری مقداری به دست می‌دهد که میانگین آنسامبل آماری همه‌ی حالت‌ها است، نمی‌تواند اطلاعاتی درباره‌ی جمعیت‌های حالت‌های کوانتومی خاص ارائه دهد. اکنون گروهی از دانشگاه کاردیف و کالج دانشگاهی لندن، هر دو در انگلیس، نشان می‌دهند که اندازه‌گیری پذیرفتاری در یک سیستم مغناطیسی خاص می‌تواند جمعیت‌های دو حالت اسپینی را به طور مستقیم بررسی کند^۱. این ایده می‌تواند این امکان را برای محققان فراهم کند تا از اندازه‌گیری‌های پذیرفتاری ساده برای مطالعه‌ی دینامیک حالت کوانتومی مواد مغناطیسی عجیب‌وغریب استفاده کنند.

محققان «یخ اسپینی رقیق»ی شامل یون‌هایی که در شبکه‌ای چهارضلعی چیده شده را بررسی کردند. با تعداد اندکی از این یون‌ها، که اسپین الکترونی بالایی دارند، می‌توان ماده را به عنوان سیستم دوسطحی ساده (اسپین-بالا، اسپین-پایین) توصیف کرد. این اسپین‌ها و جفت‌شدگی آنها با دیگر برانگیختگی‌ها در مواد، در پذیرفتاری اندازه‌گیری‌شده مشارکت می‌کند و می‌توان سهم‌های مختلف را با تغییر فرکانس یک میدان مغناطیسی اعمال‌شده جدا کرد. به طور خاص، پذیرفتاری مغناطیسی در فرکانس‌های بالای چندکیلو هرتز تحت‌تأثیر سازوکار آرام‌سازی کُند که شامل برهم‌کنش‌های اسپین-اسپین و اسپین-شبکه است، قرار نمی‌گیرد. گروه با کنار گذاشتن این سازوکار‌ها نشان داد که پذیرفتاری اندازه‌گیری‌شده به طور مستقیم با اختلاف میان جمعیت‌های حالت‌های اسپین-بالا و اسپین-پایین ارتباط دارد. آنها برای ایجاد چنین اختلافی، دمای سیستم را تا دمای کمتر از ۷۶ میلی‌کلوین پایین آوردند و سپس عدم‌تعادل جمعیتی را با اندازه‌گیری‌های پذیرفتاری تعیین کردند. محققان نشان می‌دهند که نسل بعدی دستگاه‌های اندازه‌گیری پذیرفتاری با فرکانس‌های مگاهرتز می‌تواند این تکنیک را برای مواد پیچیده‌تر کاربردی کند.

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v14/s95

نویسنده:

متیو رینی (Matteo Rini)

مراجع:

D. Billington et al., “Experimental measurement of the isolated magnetic susceptibility,” Phys. Rev. B 104, 014418 (2021).