Beräkningsdetektivarbete av amerikanska och tyska fysiker har bekräftat att ceriumzirkoniumpyroklor är en 3D-kvantspinnvätska.

Trots namnet är kvantspinnvätskor fasta material där kvantintrassling och det geometriska arrangemanget av atomer hindrar elektronernas naturliga tendens att magnetiskt ordna sig i förhållande till varandra. Den geometriska frustrationen i en kvantspinvätska är så allvarlig att elektroner fluktuerar mellan kvantmagnetiska tillstånd oavsett hur kalla de blir.

Teoretiska fysiker arbetar rutinmässigt med kvantmekaniska modeller som manifesterar kvantspinnvätskor, men att hitta övertygande bevis för att de finns i faktiska fysiska material har varit en decennier lång utmaning. Medan ett antal 2D- eller 3D-material har föreslagits som möjliga kvantspinnvätskor, har Rice University-fysikern Andriy Nevidomskyy sagt att det inte finns någon etablerad konsensus bland fysiker om att någon av dem kvalificerar sig.

Nevidomskyy hoppas att det kommer att förändras baserat på den beräkningsundersökning han och kollegor från Rice, Florida State University och Max Planck Institute for Physics of Complex Systems i Dresden, Tyskland, publicerade denna månad i tidskriften npj Quantum Materials med öppen tillgång .

"Baserat på alla bevis vi har idag bekräftar detta arbete att de enkla kristallerna av ceriumpyrokloret som identifierades som kandidat 3D-kvantspinnvätskor 2019 verkligen är kvantspinnvätskor med fraktionerad spinnexcitation", sa han.

Den inneboende egenskapen hos elektroner som leder till magnetism är spinn. Varje elektron beter sig som en liten stavmagnet med en nord- och sydpol, och vid mätning pekar individuella elektronsnurr alltid uppåt eller nedåt. I de flesta vardagliga material pekar snurr upp eller ner på måfå. Men elektroner är asociala till sin natur, och detta kan få dem att ordna sina snurr i förhållande till sina grannar under vissa omständigheter. I magneter, till exempel, är spinn kollektivt arrangerade i samma riktning, och i antiferromagneter är de arrangerade i ett upp-ned, upp-ner-mönster.

Vid mycket låga temperaturer blir kvanteffekter mer framträdande, och detta gör att elektroner arrangerar sina snurr kollektivt i de flesta material, även de där spinn skulle peka i slumpmässiga riktningar vid rumstemperatur. Kvantspinnvätskor är ett motexempel, där spinn inte pekar i en bestämd riktning – ens upp eller ner – oavsett hur kallt materialet blir.

"En kvantspinnvätska är till sin natur ett exempel på ett fraktionerat tillstånd av materia", säger Nevidomskyy, docent i fysik och astronomi och medlem av både Rice Quantum Initiative och Rice Center for Quantum Materials (RCQM) . "De individuella excitationerna är inte spin flips från upp till ner eller vice versa. De är dessa bisarra, delokaliserade föremål som bär hälften av en spinns frihetsgrad. Det är som en halv snurr."

Nevidomskyy var en del av 2019 års studie ledd av Rice experimentella fysikern Pengcheng Dai som fann det första beviset för att ceriumzirkoniumpyroklor var en kvantspinnvätska. Teamets prover var de första i sitt slag:Pyrochlores på grund av deras 2-till-2-till-7-förhållande av cerium, zirkonium och syre, och enkla kristaller eftersom atomerna inuti var arrangerade i ett kontinuerligt, obrutet gitter. Oelastiska neutronspridningsexperiment av Dai och kollegor avslöjade ett kännetecken för kvantspinnvätska, ett kontinuum av spinnexcitationer uppmätt vid temperaturer så låga som 35 millikelvin.

"Man kan argumentera för att de hittade den misstänkte och anklagade honom för brottet", sa Nevidomskyy. "Vårt jobb i den här nya studien var att bevisa för juryn att den misstänkte är skyldig."

Nevidomskyy och kollegor byggde sitt fall med hjälp av toppmoderna Monte Carlo-metoder, exakt diagonalisering samt analytiska verktyg för att utföra spindynamikberäkningarna för en befintlig kvantmekanisk modell av ceriumzirkoniumpyroklor. Studien skapades av Nevidomskyy och Max Plancks Roderich Moessner, och Monte Carlo-simuleringarna utfördes av Florida States Anish Bhardwaj och Hitesh Changlani, med bidrag från Rices Han Yan och Max Plancks Shu Zhang.

"Ramverket för denna teori var känt, men de exakta parametrarna, av vilka det finns minst fyra, var det inte," sa Nevidomskyy. "I olika föreningar kan dessa parametrar ha olika värden. Vårt mål var att hitta dessa värden för ceriumpyroklor och avgöra om de beskriver en kvantspinnvätska."

"Det skulle vara som en ballistisk expert som använder Newtons andra lag för att beräkna en kulas bana," sa han. "Newtons lag är känd, men den har bara prediktiv kraft om du tillhandahåller de initiala villkoren som kulans massa och initiala hastighet. Dessa initiala förhållanden är analoga med dessa parametrar. Vi var tvungna att omvända konstruera, eller leta ut," Vad är de initiala villkoren. förhållanden inuti detta ceriummaterial?' och, 'Stämmer det överens med förutsägelsen av denna kvantspinnvätska?'"

För att bygga ett övertygande fall testade forskarna modellen mot termodynamiska, neutronspridnings- och magnetiseringsresultat från tidigare publicerade experimentella studier av ceriumzirkoniumpyroklor.

"Om du bara har ett bevis kan du oavsiktligt hitta flera modeller som fortfarande passar beskrivningen," sa Nevidomskyy. "Vi matchade faktiskt inte ett, utan tre olika bevis. Så en enda kandidat var tvungen att matcha alla tre experimenten."

Vissa studier har implicerat samma typ av kvantmagnetiska fluktuationer som uppstår i kvantspinnvätskor som en möjlig orsak till okonventionell supraledning. Men Nevidomskyy sa att beräkningsfynden i första hand är av grundläggande intresse för fysiker.

"Detta tillfredsställer vår medfödda önskan, som fysiker, att ta reda på hur naturen fungerar", sa han. "Det finns ingen applikation jag känner till som kan gynnas. Den är inte direkt kopplad till kvantberäkning, även om det finns idéer för att använda fraktionerade excitationer som en plattform för logiska qubits."

Han sa att en särskilt intressant punkt för fysiker är det djupa sambandet mellan kvantspinnvätskor och det experimentella förverkligandet av magnetiska monopoler, teoretiska partiklar vars potentiella existens fortfarande diskuteras av kosmologer och högenergifysiker.

"När folk pratar om fraktionering, vad de menar är att systemet beter sig som om en fysisk partikel, som en elektron, delas i två halvor som går runt och sedan rekombinerar någonstans senare," sa Nevidomskyy. "Och i pyroklormagneter som den vi studerade, beter sig dessa vandrande föremål dessutom som kvantmagnetiska monopoler."

Magnetiska monopoler kan visualiseras som isolerade magnetiska poler som antingen den uppåt- eller nedåtvända polen hos en enskild elektron.

"Naturligtvis, i klassisk fysik kan man aldrig isolera bara ena änden av en stångmagnet," sa han. "Nord- och sydmonopolerna kommer alltid i par. Men inom kvantfysiken kan magnetiska monopoler hypotetiskt existera, och kvantteoretiker konstruerade dessa för nästan 100 år sedan för att utforska grundläggande frågor om kvantmekanik.

"Såvitt vi vet existerar magnetiska monopoler inte i en rå form i vårt universum," sa Nevidomskyy. "Men det visar sig att det finns en snygg version av monopoler i dessa kvantspinnvätskor av ceriumpyroklor. En enda snurrflip skapar två fraktionerade kvasipartiklar som kallas spinoner som beter sig som monopoler och vandrar runt kristallgittret."

Studien fann också bevis för att monopolliknande spinoner skapades på ett ovanligt sätt i ceriumzirkoniumpyroklor. På grund av det tetraedriska arrangemanget av magnetiska atomer i pyrokloret, föreslår studien att de utvecklar oktupolära magnetiska moment - spinnliknande magnetiska kvasipartiklar med åtta poler - vid låga temperaturer. Forskningen visade att spinoner i materialet producerades från både dessa oktupolära källor och mer konventionella, dipolära spin-moment.

"Vår modellering fastställde de exakta proportionerna av interaktioner mellan dessa två komponenter med varandra," sa Nevidomskyy. "Det öppnar ett nytt kapitel i den teoretiska förståelsen av inte bara ceriumpyroklormaterialen utan av oktupolära kvantspinnvätskor i allmänhet." + Utforska vidare

Fysiker hittar den första möjliga 3D-kvantspinnvätskan