Kvantspinnvätskor är fascinerande kvantsystem som nyligen har väckt stor forskningsuppmärksamhet. Dessa system kännetecknas av en stark konkurrens mellan interaktioner, vilket förhindrar upprättandet av en magnetisk ordning på lång räckvidd, såsom den som observeras i konventionella magneter, där alla snurrar riktas in i samma riktning för att producera ett nettomagnetiskt fält.
Forskare vid University of Toronto introducerade nyligen ett ramverk som skulle kunna underlätta den experimentella observationen av en ny 3D-kvantspinnvätska känd som π-flux octupolar quantum spin ice (π-O-QSI). Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , förutspår de distinkta spektroskopiska signaturerna för detta system, som skulle kunna mätas i framtida experiment.
"Intressant nog kan kvantspinnvätskor vara värd för fraktionerade excitationer," sa Félix Desrochers, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Nämligen verkar elektronerna i dessa material dissociera i flera komponenter. Till exempel, medan elektroner bär både spinn och laddning, kan den framväxande kvasipartikeln bära spin men ingen laddning.
"Dessa excitationer uppstår inte från fragmenteringen av elektronerna i flera delar utan är istället resultatet av en mycket icke-trivial form av kollektiv rörelse som induceras av deras starka interaktioner."
Fysiker har letat efter tydliga exempel på kvantspinnvätsketillståndet i årtionden. Ändå har framstegen inom detta forskningsområde varit långsamma hittills, på grund av två primära faktorer.
För det första har det visat sig vara utmanande att ta fram teoretiska modeller som realistiskt beskriver spinnflytande grundtillstånd och som kan användas för att härleda exakta förutsägelser. För det andra visade det sig också vara svårt att upptäcka och karakterisera de fysikaliska egenskaperna hos dessa system i verkliga material.
"Quantum spin ice (QSI) är ett sällsynt exempel på en modell med ett välförstått quantum spin flytande grundtillstånd och kan även hittas i ett riktigt material (som familjen av sällsynta jordartsmetaller pyrochlores)," förklarade Desrochers.
"QSI är extraordinärt eftersom det inser gittermotsvarigheten till kvantelektrodynamik:den är värd för framväxande fotonliknande lägen (d.v.s. excitationer som liknar partiklar av ljus), partiklar analoga med elektrostatiska laddningar med ömsesidig Coulomb-interaktion kända som spinoner och till och med magnetiska monopoler."
Baserat på teoretiska förutsägelser skiljer sig kvantelektrodynamiken som uppstår i QSI avsevärt från konventionell elektrodynamik. Till exempel bör hastigheten för det så kallade "emergent ljuset" vara i storleksordningen 1 m/s, i motsats till 3x10 8 m/s ljus vi möter i vardagen.
"Senaste experiment på Ce2 Zr2 O7 , Ce2 Sn2 O7 och Ce2 Hf2 O7 har varit extremt spännande," sa Desrochers. "Materialen visar inga tecken på att beställa ner till den lägsta tillgängliga temperaturen.
"Ytterligare analyser bestämde de mikroskopiska parametrarna som beskriver dess beteende. De fann att systemet är i en region av parameterutrymme som teoretiskt föreslås vara värd för en specifik smak av QSI som kallas π-flux quantum spin ice (π-QSI)."
Medan nyare studier samlade uppmuntrande resultat, är det en mycket komplex uppgift att på ett tillförlitligt sätt identifiera quantum spin-vätskor, eftersom även en svag störning potentiellt kan störa dessa tillstånd. För att otvetydigt upptäcka dessa tillstånd måste forskare först identifiera distinkta signaturer som är specifika för en kvantspinnvätska, som förblir stabila.
"Före vårt arbete fanns det inget tydligt förslag till signaturer med rökpistoler för spindynamiken i π-flux QSI," förklarade Desrochers. "Vårt arbete syftade därför till att lyfta fram potentiella distinkta signaturer som kan hjälpa till att identifiera om π-flux QSI realiseras i Ce2 Zr2 O7 och andra liknande föreningar. Vi fokuserade särskilt på signaturer som kunde mätas med nuvarande tillgängliga experimentella apparater."
Som en del av deras studie, Desrochers och hans Ph.D. Handledaren Yong Baek Kim satte sig för att förutsäga de distinkta spektroskopiska signaturerna av π-flödet QSI-tillståndet med hjälp av ett teoretiskt ramverk som introducerades av Lucile Savary och Leon Balents 2012, känd som gauge mean-field theory (GMFT). Detta ramverk skriver om i huvudsak initiala spinnoperatorer baserat på de framväxande excitationerna som finns i kvantspinnis, nämligen fotoner och spinoner.
"Detta ramverk användes redan för att studera π-flux QSI i några av de tidigaste verken som använder GMFT," sa Desrochers. "Vi har alltså utökat detta arbete med syftet att göra experimentellt meningsfulla förutsägelser. För att säkerställa att våra förutsägelser är tillförlitliga har vi också gjort omfattande jämförelser med tidigare numeriska resultat från vår grupp och litteraturen."
Denna nyligen gjorda studie av Desrochers och Kim erbjuder en meningsfull förutsägelse av de distinkta spektroskopiska signaturerna för spinnvätsketillståndet π-flux QSI. Dessa signaturer kan vägleda framtida experimentella studier och hjälpa fysiker att bekräfta förekomsten av detta exotiska tillstånd.
"Vi betonade att π-flöde QSI bör producera tre toppar med minskande intensitet i oelastisk neutronspridning," sa Desrochers. "Detta är en unik och distinkt signatur. Om de mäts skulle dessa tre toppar ge övertygande bevis för det experimentella förverkligandet av denna tredimensionella QSL."
Desrochers och Kim hoppas att deras förutsägelser kommer att hjälpa forskare att avgöra vad de bör förvänta sig att mäta när de möter det svårfångade π-flödet QSI-tillståndet. Speciellt bör de spektroskopiska signaturerna de identifierade vara detekterbara vid för närvarande uppnåbara experimentella upplösningar, så de skulle potentiellt kunna observeras snart.
Under tiden planerar forskarna att bygga vidare på sin senaste studie för att samla in allt mer detaljerade förutsägelser. De skulle till exempel vilja studera hur topparna de förutspådde skulle utvecklas vid olika temperaturer och uppskatta vid vilka temperaturer de försvinner.
"Den mest spännande framtida utvecklingen kommer säkerligen att komma från den experimentella sidan," tillade Desrochers. "Bekräftelse av närvaron av dessa toppar skulle erbjuda mycket övertygande bevis på förverkligandet av detta länge eftersökta nya tillstånd av materia. Det finns redan några uppmuntrande tecken:nyligen arbetat på Ce2 Sn2 O7 rapporterade mätningar som visar tecken på tre toppar av minskande intensitet."
Mer information: Félix Desrochers et al, Spectroscopic Signatures of Fractionalization in Octupolar Quantum Spin Ice, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.066502. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2301.05240
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
