Dreigliedriger Ansatz erkennt Eigenschaften von Quantendrehungsmaterialien.

16. November 2023

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von Elizabeth Rosenthal, Oak Ridge National Laboratory

1973 postulierte der Physiker Phil Anderson, dass der Zustand des Quanten-Spin-Liquids (QSL) auf einigen dreieckigen Gittern existiert, aber ihm fehlten die Werkzeuge, um tiefer zu graben. Fünfzig Jahre später hat ein Team unter der Leitung von Forschern, die mit dem Quantum Science Center verbunden sind, das am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums ansässig ist, die Existenz des QSL-Verhaltens in einem neuen Material mit dieser Struktur, KYbSe2, bestätigt.

QSLs - ein ungewöhnlicher Zustand der Materie, der durch Wechselwirkungen zwischen verwickelten, oder intrinsisch verlinkten, magnetischen Atomen namens Spins kontrolliert wird - können die quantenmechanische Aktivität in KYbSe2 und anderen Delafossiten effektiv stabilisieren. Diese Materialien sind aufgrund ihrer geschichteten dreieckigen Gitter und vielversprechenden Eigenschaften, die zur Entwicklung hochwertiger Supraleiter und Bauteile für die Quantencomputertechnologie beitragen könnten, begehrt.

Die in Nature Physics veröffentlichte Arbeit umfasst Forscher von ORNL, Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory, der University of Tennessee, Knoxville, der University of Missouri, der University of Minnesota, der Stanford University und dem Rosario Physics Institute.

'Forscher haben das dreieckige Gitter verschiedener Materialien untersucht, um das Verhalten des QSL zu verstehen', sagte QSC-Mitglied und Hauptautor Allen Scheie, ein Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory. 'Ein Vorteil dieses Materials ist, dass wir Atome leicht austauschen können, um die Eigenschaften des Materials zu modifizieren, ohne die Struktur zu verändern, und das macht es aus wissenschaftlicher Sicht ziemlich ideal.'

Mit einer Kombination aus theoretischen, experimentellen und rechnerischen Techniken haben die Forscher mehrere Eigenschaften von QSLs beobachtet: Quantenverschränkung, exotische Quasiteilchen und das richtige Gleichgewicht der Austauschwechselwirkungen, die beeinflussen, wie ein Spin seine Nachbarn beeinflusst. Obwohl es historisch gesehen aufgrund der Begrenzungen physischer Experimente Schwierigkeiten gab, diese Eigenschaften zu identifizieren, können moderne Neutronenstreuinstrumente genaue Messungen komplexer Materialien auf atomarer Ebene liefern.

Indem sie die Spin-Dynamik von KYbSe2 mit dem Cold Neutron Chopper Spectrometer an der Spallation Neutronquelle des ORNL analysierten - einer Einrichtung des DOE Office of Science - und die Ergebnisse mit vertrauenswürdigen theoretischen Modellen verglichen, fanden die Forscher Hinweise darauf, dass das Material nahe am Quantenkritischen Punkt ist, an dem QSL-Eigenschaften gedeihen. Anschließend analysierten sie den Magnetzustand des Einzelions mit dem Wide-Angular-Range Chopper Spectrometer des SNS.

Die beteiligten Kennzahlen sind die ein-Tangle-, zwei-Tangle- und Quanten-Fisher-Information, die eine Schlüsselrolle in früheren QSC-Forschungen zur Untersuchung einer 1D-Spin-Kette oder einer einzelnen Reihe von Spins in einem Material gespielt haben. KYbSe2 ist ein 2D-System, was diese Bemühungen komplexer gemacht hat.

'Wir gehen einen Co-Design-Ansatz, der in das QSC eingebaut ist', sagte Alan Tennant, Professor für Physik und Materialwissenschaften an der UTK, der ein Quantum Magnets-Projekt für das QSC leitet. 'Theoretiker im Zentrum berechnen Dinge, die sie zuvor nicht berechnen konnten, und diese Überlappung zwischen Theorie und Experiment ermöglichte diesen Durchbruch in der QSL-Forschung.'

Diese Studie unterstützt die Prioritäten des QSC, zu denen die Verbindung von Grundlagenforschung mit Quantenelektronik, Quantenmagneten und anderen aktuellen und zukünftigen Quantengeräten gehört.

'Ein besseres Verständnis von QSLs ist für die Entwicklung von Technologien der nächsten Generation von großer Bedeutung', sagte Tennant. 'Dieses Feld befindet sich noch im Stadium der Grundlagenforschung, aber wir können jetzt identifizieren, welche Materialien wir modifizieren können, um potenziell kleinere Geräte von Grund auf herzustellen.'

Obwohl KYbSe2 kein echtes QSL ist, hat es das Potenzial, eines zu werden, da etwa 85% der Magnetismus bei niedriger Temperatur schwankt. Die Forscher erwarten, dass geringfügige Veränderungen an seiner Struktur oder der Einfluss von externem Druck dazu beitragen könnten, dies auf 100% zu steigern.

QSC-Experimentatoren und Rechenwissenschaftler planen parallele Studien und Simulationen, die sich auf Delafossite-Materialien konzentrieren, aber die Ergebnisse der Forscher haben ein beispielloses Protokoll etabliert, das auch zur Untersuchung anderer Systeme angewendet werden kann. Durch die Optimierung evidenzbasierter Bewertungen von QSL-Kandidaten streben sie eine Beschleunigung der Suche nach echten QSLs an.

'The important thing about this material is that we've found a way to orient ourselves on the map so to speak and show what we've gotten right,' Scheie said. 'We're pretty sure there's a full QSL somewhere within this chemical space, and now we know how to find it.'

Journal information: Nature Physics

Provided by Oak Ridge National Laboratory