_ Structuri de studiu semnăturile spectroscopice ale fracționalizării în gheața de spin cuantic octupolar

Lichidele de spin cuantic sunt sisteme cuantice fascinante care au atras recent atenția semnificativă a cercetării. Aceste sisteme se caracterizează printr-o competiție puternică între interacțiuni, care împiedică stabilirea unei ordini magnetice cu rază lungă de acțiune, cum ar fi cea observată la magneții convenționali, unde toți spinurile se aliniază de-a lungul aceleiași direcții pentru a produce un câmp magnetic net.

Cercetătorii de la Universitatea din Toronto au introdus recent un cadru care ar putea facilita observarea experimentală a unui nou lichid de spin cuantic 3D cunoscut sub numele de gheață de spin cuantic octupolar cu flux π (π-O-QSI). Lucrarea lor, publicată în Physical Review Letters, prezice semnăturile spectroscopice distinctive ale acestui sistem, care ar putea fi măsurate în experimente viitoare.

„În mod interesant, lichidele de spin cuantic pot găzdui excitații fracționate”, Félix Desrochers, co- autorul lucrării, a spus Phys.org. „Și anume, electronii din aceste materiale par să se disocieze în mai multe componente. De exemplu, în timp ce electronii poartă atât spin, cât și sarcină, cvasiparticula emergentă poate transporta spin, dar fără sarcină.

„Aceste excitații nu apar din fragmentarea electronilor în mai multe bucăți, dar sunt în schimb rezultatul unei forme foarte netriviale de mișcare colectivă indusă de interacțiunile lor puternice.”

Fizicienii au căutat de zeci de ani exemple clare ale stării lichide de spin cuantic. Cu toate acestea, progresul în acest domeniu de cercetare a fost lent până acum, datorită a doi factori primari.

În primul rând, conceperea unor modele teoretice care descriu în mod realist stările fundamentale ale lichidului de spin și care pot fi utilizate pentru a obține predicții precise. În al doilea rând, detectarea și caracterizarea proprietăților fizice ale acestor sisteme în materiale reale s-a dovedit, de asemenea, dificilă.

„Gheața de spin cuantic (QSI) este un exemplu rar de model cu un lichid de spin cuantic bine înțeles. starea fundamentală și poate fi găsită și într-un material real (cum ar fi familia piroclorilor din pământuri rare)," a explicat Desrochers.

"QSI este extraordinar, deoarece realizează echivalentul rețelei al electrodinamicii cuantice: găzduiește emergente moduri asemănătoare fotonilor (adică excitații similare particulelor de lumină), particule analoge sarcinilor electrostatice cu interacțiune Coulomb reciprocă cunoscute sub numele de spinoni și chiar monopoli magnetici.”

Pe baza predicțiilor teoretice, electrodinamica cuantică a apărut în QSI diferă semnificativ de electrodinamica convențională. De exemplu, viteza așa-numitei „lumini emergente” ar trebui să fie de ordinul a 1 m/s, spre deosebire de cei 3x108 m/s de lumină pe care o întâlnim în viața de zi cu zi.

„Recent. experimentele pe Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 și Ce2Hf2O7 au fost extrem de interesante”, a spus Desrochers. „Materialele nu prezintă niciun semn de ordonare până la cea mai scăzută temperatură accesibilă.

„Analize ulterioare au determinat parametrii microscopici care descriu comportamentul acestuia. Ei au descoperit că sistemul se află într-o regiune a spațiului parametrilor care, teoretic, se sugerează că găzduiește o aromă specifică de QSI cunoscută sub numele de π-flux quantum spin ice (π-QSI).”

În timp ce studiile recente au adunat încurajatoare descoperiri, identificarea fiabilă a lichidelor cu spin cuantic este o sarcină extrem de complexă, deoarece chiar și o tulburare slabă ar putea perturba aceste stări.Pentru a detecta aceste stări fără ambiguitate, cercetătorii trebuie mai întâi să identifice semnături distinctive care sunt specifice unui lichid cu spin cuantic, care rămân stabile.

„Înainte de munca noastră, nu a existat o propunere clară pentru semnăturile cu arme fumigene ale dinamicii spinării în QSI cu flux π”, a explicat Desrochers. „Lucrarea noastră a urmărit astfel să evidențieze potențiale semnături distincte care ar putea ajuta la identificarea dacă π-flux QSI este realizat în Ce2Zr2O7 și alți compuși similari. Ne-am concentrat în special pe semnăturile care ar putea fi măsurate cu aparatele experimentale disponibile în prezent.”

Ca parte a studiului lor, Desrochers și doctoratul său. supervizorul Yong Baek Kim și-a propus să prezică semnăturile spectroscopice distinctive ale stării QSI de flux π folosind un cadru teoretic introdus de Lucile Savary și Leon Balents în 2012, cunoscut sub numele de teoria câmpului mediu al calibrului (GMFT). Acest cadru rescrie în esență operatorii de spin inițial pe baza excitațiilor emergente prezente în gheața de spin cuantic, și anume fotoni și spinoni.

„Acest cadru a fost deja folosit pentru a studia QSI cu flux π în unele dintre cele mai vechi lucrări care utilizează GMFT. ”, a spus Desrochers. „Am extins astfel această activitate cu scopul de a face predicții semnificative experimental. Pentru a ne asigura că predicțiile noastre sunt de încredere, am făcut, de asemenea, comparații extinse cu rezultatele numerice anterioare din grupul nostru și din literatură.”

Acest lucru. Studiul recent al lui Desrochers și Kim oferă o predicție semnificativă a semnăturilor spectroscopice distinctive ale stării lichide de spin π-flux QSI. Aceste semnături ar putea ghida viitoarele studii experimentale, ajutând fizicienii să confirme prezența acestei stări exotice.

„Am evidențiat că QSI cu flux π ar trebui să producă trei vârfuri de intensitate descrescătoare în împrăștierea neutronilor inelastici”, a spus Desrochers. „Aceasta este o semnătură unică și distinctivă. Dacă sunt măsurate, aceste trei vârfuri ar oferi dovezi convingătoare pentru realizarea experimentală a acestui QSL tridimensional.”

Desrochers și Kim speră că predicțiile lor îi vor ajuta pe cercetători să determine la ce ar trebui să se aștepte să măsoare atunci când întâlnesc starea evazivă de flux π QSI. În special, semnăturile spectroscopice pe care le-au identificat ar trebui să fie detectabile la rezoluții experimentale realizabile în prezent, astfel încât acestea ar putea fi observate în curând.

Între timp, cercetătorii intenționează să se bazeze pe studiul lor recent pentru a aduna predicții din ce în ce mai detaliate. De exemplu, ar dori să studieze modul în care vârfurile pe care le-au prezis vor evolua la diferite temperaturi și să estimeze la ce temperaturi vor dispărea.

„Cele mai interesante dezvoltări viitoare vor veni cu siguranță din partea experimentală”, a adăugat Desrochers. . „Confirmarea prezenței acestor vârfuri ar oferi dovezi extrem de convingătoare ale realizării acestei noi stări mult căutate a materiei. Există deja câteva semne încurajatoare: lucrările recente privind Ce2Sn2O7 au raportat măsurători care arată semne ale a trei vârfuri de intensitate în scădere. ."

© 2024 Science X Network

(Fluierul)