En ny studie, publicerad i ett färskt nummer av Nature Physics , kastar ljus över den efterlängtade uppkomsten av kvasipartiklar, liknande de berömda Dirac-partiklarna som lyder den relativistiska Dirac-ekvationen. Dessa kvasipartiklar, kända som Dirac-spinoner, ansågs existera i ett nytt kvanttillstånd som kallas ett kvantspinnvätsketillstånd.
Upptäckten är resultatet av ett samarbete mellan teoretiska fysiker Dr. Chengkang Zhou och professor Zi Yang Meng från Institutionen för fysik vid University of Hong Kong (HKU), tillsammans med experimentalisterna Zhenyuan Zeng och professor Shiliang Li vid Institute of Physics ( IOP), Chinese Academy of Sciences (CAS) och professor Kenji Nakajima från J-PARC Center, Japan.
Kvasipartiklar är spännande enheter som uppstår ur kollektivt beteende inom material som kan behandlas som en grupp av partiklar. Specifikt förväntas Dirac-spinonerna uppvisa unika egenskaper som liknar Dirac-partiklar i högenergifysik och Dirac-elektroner i grafen- och quantum moire-material, såsom ett linjärt spridningsförhållande mellan energi och momentum. Men sådana neutrala kvasipartiklar med spin-½ laddning har inte setts i kvantmagneter innan detta arbete.
"Att hitta Dirac-spinoner i kvantmagneter har varit drömmen för generationer av fysiker av kondenserad materia; nu när vi har sett bevisen för dem kan man börja fundera på de otaliga potentiella tillämpningarna av ett sådant mycket intrasslat kvantmaterial.
"Vem vet, kanske en dag kommer människor att bygga kvantdatorer med det, precis som människor har gjort under det senaste halvseklet med kisel", säger professor Meng, HKU-fysiker och en av motsvarande författare till tidningen.
Teamets undersökning fokuserade på ett unikt material som kallas YCu3 -Br, kännetecknad av en kagomegitterstruktur som leder till uppkomsten av dessa svårfångade kvasipartiklar.
Tidigare studier hade antytt materialets potential att uppvisa ett kvantspinnvätsketillstånd, vilket gör det till en idealisk kandidat för utforskning. För att möjliggöra observation av spinoner i YCu3 , övervann forskargruppen många utmaningar genom att sätta ihop cirka 5 000 enkristaller, vilket uppfyller kraven för att utföra experiment som oelastisk neutronspridning.
Med hjälp av denna avancerade teknik undersökte teamet materialets spinnexcitationer och observerade spännande koniska spinnkontinuummönster, som påminner om den karakteristiska Dirac-konen. Även om det visade sig vara utmanande att direkt detektera enstaka spinon på grund av experimentella begränsningar, jämförde teamet sina resultat med teoretiska förutsägelser och avslöjade distinkta spektrala egenskaper som tyder på närvaron av spinoner i materialet.
Att hitta spektrala bevis på Dirac-spinon-excitationer har alltid varit en utmaning. Denna upptäckt ger övertygande bevis för existensen av ett Dirac-kvantspinnvätsketillstånd, vilket kan liknas vid ett tydligt rop som skär genom dimman av spektrala undersökningar av kvantspinnvätsketillståndet.
Fynden främjar inte bara vår grundläggande förståelse av den kondenserade materiens fysik utan öppnar också dörrar för ytterligare utforskning av egenskaperna och tillämpningarna av YCu3 .
Kännetecknat av närvaron av fraktionerade spinonexcitationer, är kvantspinnvätsketillståndet potentiellt relevant för högtemperatursupraledning och kvantinformation. I detta tillstånd är snurren mycket intrasslade och förblir oordnade även vid låga temperaturer.
Därför skulle en undersökning av de spektrala signalerna som härrör från spinoner som lyder Dirac-ekvationen ge en bredare förståelse av materiens kvantspinnvätsketillstånd. Sådan förståelse fungerar också som en vägledning mot dess bredare tillämpningar, inklusive utforskning av högtemperatursupraledning och kvantinformation.
Mer information: Zhenyuan Zeng et al, Spektralbevis för Dirac-spinoner i en antiferromagnet av kagomegitter, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av University of Hong Kong
