Med hjälp av en ny beräkningsmetod, ett internationellt samarbete har för första gången lyckats systematiskt undersöka magnetiska kvanteffekter i den välkända 3D-pyroklor Heisenberg-modellen. Det överraskande fyndet:Fysiska kvantfaser bildas endast för små spinnvärden.

Atomer och molekyler i kristallina fasta ämnen är ordnade i vanliga tredimensionella galler. Atomerna interagerar med varandra via olika krafter, äntligen nått ett tillstånd av minsta energi. Nära absolut noll, gitterets svängningar fryser, så att interaktioner mellan elektronspinn dominerar. Ett särskilt intressant fall uppstår när snurren inte alla kan anpassa sig samtidigt för att nå ett tillstånd med lägsta energi. Detta resulterar i ett frustrerat system där snurren är nästan helt störda och därför kallas en spinnvätska.

Kubisk kristallstruktur

En av de ledande modellerna för att studera 3D-frustrerade kvantmagneter är Heisenberg-modellen på ett pyroklorigitter-en enkel kubisk kristallstruktur (se illustration). Ändå, det har hittills varit extremt svårt att härleda praktiska förutsägelser, dvs. för specifika material och temperaturer, från denna teoretiska modell.

Lag från Tyskland, Japan, Kanada, och Indien har nu gemensamt genomfört systematiska undersökningar av denna modell med hjälp av en ny teoretisk metod och löst flera av dessa svårigheter. Det är möjligt med denna nya metod att variera centrifugeringsvärdet för gitteratomerna såväl som temperaturen och andra interaktionsparametrar, och för att beräkna parameterområdena där nya magnetiska kvanteffekter uppstår. Beräkningarna utfördes på Leibniz Supercomputing Center (LRZ) i München.

Kvanteffekter endast för små snurr

"Vi kunde visa att kvantfysiska effekter överraskande bara inträffar över mycket begränsade parameterintervall", förklarar teoretisk fysiker prof. Johannes Reuther från HZB, medförfattare till studien. Dessa kvanteffekter är mest uttalade vid minsta möjliga snurr (centrifugeringsvärde ½). Dock, spinnsystem i kristallstrukturen som undersöks av teamen beter sig redan nästan helt som klassiska fysiska system vid spinnvärden på 1,5 och högre.

Arbetet som publiceras fördjupar vår förståelse av fasta ämnen och bidrar till det systematiska framsteg i sökandet efter 3D-spinnvätskor i kvantmaterial.