Die Studie skizziert spektroskopische Signaturen der Fraktionalisierung im oktupolaren Quantenspin-Eis

22. März 2024

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Quantenspinflüssigkeiten sind faszinierende Quantensysteme, die in letzter Zeit erhebliche Forschungsaufmerksamkeit erregt haben. Diese Systeme zeichnen sich durch einen starken Wettbewerb zwischen Interaktionen aus, der die Etablierung einer langreichweitigen magnetischen Ordnung verhindert, wie sie in herkömmlichen Magneten beobachtet wird, wo alle Spins in dieselbe Richtung ausgerichtet sind, um ein Netto-Magnetfeld zu erzeugen.

Wissenschaftler der University of Toronto haben kürzlich einen Rahmen vorgestellt, der die experimentelle Beobachtung einer neuen 3D-Quantenspinflüssigkeit, bekannt als π-Flux-Oktupolar-Quantenspineis (π-O-QSI), erleichtern könnte. Ihre Arbeit, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, prognostiziert die spezifischen spektroskopischen Signaturen dieses Systems, die in zukünftigen Experimenten gemessen werden könnten.

"Interessanterweise können Quantenspinflüssigkeiten fraktionalisierte Anregungen beherbergen", erzählte Félix Desrochers, Mitautor der Arbeit, Phys.org. "Insbesondere scheinen die Elektronen in diesen Materialien in mehrere Komponenten zu zerfallen. Während Elektronen sowohl Spin als auch Ladung tragen, kann das emergente Quasiteilchen Spin, aber keine Ladung tragen.

"Diese Anregungen entstehen nicht aus der Zerstückelung der Elektronen in mehrere Teile, sondern sind vielmehr das Ergebnis einer höchst nichttrivialen Form der kollektiven Bewegung, die durch ihre starken Wechselwirkungen induziert wird."

Physiker suchen seit Jahrzehnten nach klaren Beispielen für den Quantenspinflüssigkeitszustand. Dennoch sind die Fortschritte in diesem Forschungsbereich bisher langsam gewesen, hauptsächlich aufgrund zweier Faktoren.

Erstens hat sich die Ausarbeitung theoretischer Modelle, die Spinflüssigkeitsgrundzustände realistisch beschreiben und zur Ableitung genauer Vorhersagen verwendet werden können, als schwierig erwiesen. Zweitens erwies sich auch das Erkennen und Charakterisieren der physikalischen Eigenschaften dieser Systeme in realen Materialien als schw schwierig.

"Quantenspineis (QSI) ist ein seltenes Beispiel für ein Modell mit einem gut verstandenen Quantenspinflüssigkeitsgrundzustand und kann auch in einem realen Material (wie die Familie der Seltenen-Erd-Pyrochloride) gefunden werden", erklärte Desrochers.

"QSI ist außergewöhnlich, da es das Gitteräquivalent der Quantenelektrodynamik realisiert: Es beherbergt aufkommende photonähnliche Modi (d.h., Anregungen ähnlich Lichtteilchen), Teilchen analog zu elektrostatischen Ladungen mit wechselseitiger Coulomb-Interaktion, die als Spinonen bekannt sind, und sogar magnetische Monopole."

Nach theoretischen Prognosen unterscheidet sich die in QSI auftretende Quantenelektrodynamik stark von der konventionellen Elektrodynamik. Zum Beispiel sollte die Geschwindigkeit des so genannten "emergenten Lichts" in der Größenordnung von 1 m/s liegen, im Gegensatz zu den 3x108 m/s des Lichts, das wir im alltäglichen Leben begegnen.

"Die kürzlichen Experimente an Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 und Ce2Hf2O7 waren äußerst aufregend", sagte Desrochers. "Die Materialien zeigen kein Anzeichen einer Ordnungsfindung bis hin zur niedrigsten zugänglichen Temperatur.

"Weitere Analysen bestimmten die mikroskopischen Parameter, die ihr Verhalten beschreiben. Sie fanden heraus, dass das System sich in einem Parameterbereich befindet, der theoretisch vorgeschlagen wurde, um eine spezifische Form von QSI zu beherbergen, bekannt als π-Flux-Quantenspineis (π-QSI)."

Trotz der ermutigenden Ergebnisse der jüngsten Studien ist die zuverlässige Identifizierung von Quantenspinflüssigkeiten eine hochkomplexe Aufgabe, da selbst eine schwache Störung diese Zustände potenziell stören könnte. Um diese Zustände eindeutig nachzuweisen, müssen die Wissenschaftler zunächst spezifische, stabile Signaturen identifizieren, die spezifisch für eine Quantenspinflüssigkeit sind.

"Vor unserer Arbeit gab es keine klare Vorstellung von den spezifischen Signaturen der Spin-Dynamik in π-Flux-QSI", erklärte Desrochers. "Unsere Arbeit zielte daher darauf ab, potenzielle spezifische Signaturen hervorzuheben, die helfen könnten, festzustellen, ob π-Flux-QSI in Ce2Zr2O7 und anderen ähnlichen Verbindungen realisiert wird. Wir konzentrierten uns insbesondere auf Signaturen, die mit derzeit verfügbaren experimentellen Geräten gemessen werden könnten."

Im Rahmen ihrer Studie versuchten Desrochers und sein Doktorvater Yong Baek Kim, die spezifischen spektroskopischen Signaturen des π-Flux-QSI-Zustands mithilfe eines theoretischen Rahmens vorherzusagen, der 2012 von Lucile Savary und Leon Balents eingeführt wurde und als Gaußsche-Mittelwert-Theorie (GMFT) bekannt ist. Dieser Rahmen schreibt die anfänglichen Spinoperatoren anhand der in Quantenspineis auftretenden emergenten Anregungen, nämlich Photonen und Spinonen, um.

'This framework was already used to study π-flux QSI in some of the earliest works utilizing GMFT,' Desrochers said. 'We have thus expanded on this work with the aim of making experimentally meaningful predictions. To ensure our predictions are reliable, we have also made extensive comparisons with previous numerical results from our group and the literature.'

This recent study by Desrochers and Kim offers a meaningful prediction of the distinctive spectroscopic signatures of the spin liquid state π-flux QSI. These signatures could guide future experimental studies, helping physicists to confirm the presence of this exotic state.

'We highlighted that π-flux QSI should produce three peaks of decreasing intensity in inelastic neutron scattering,' Desrochers said. 'This is a unique and distinctive signature. If measured, these three peaks would provide compelling evidence for the experimental realization of this three-dimensional QSL.'

Desrochers and Kim hope that their predictions will help researchers to determine what they should expect to measure when encountering the elusive π-flux QSI state. Notably, the spectroscopic signatures they identified should be detectable at currently achievable experimental resolutions, thus they could potentially be observed soon.

Meanwhile, the researchers plan to build on their recent study to gather increasingly detailed predictions. For instance, they would like to study how the peaks they predicted would evolve at different temperatures and estimate at what temperatures they disappear.

'The most exciting future developments will surely come from the experimental side,' Desrochers added. 'Confirmation of the presence of these peaks would offer highly persuasive evidence of the realization of this long-sought-after new state of matter. There are already some encouraging signs: recent work on Ce2Sn2O7 reported measurements that show signs of three peaks of decreasing intensity.'

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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