El estudio describe las firmas espectroscópicas de la fraccionamiento en hielo de espín cuántico octupolar

22 de marzo de 2024

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los líquidos de espín cuántico son sistemas cuánticos fascinantes que recientemente han atraído una atención significativa en la investigación. Estos sistemas se caracterizan por una fuerte competencia entre interacciones, lo que impide el establecimiento de un orden magnético a largo plazo, como el que se observa en los imanes convencionales, donde todos los espines se alinean en la misma dirección para producir un campo magnético neta.

Investigadores de la Universidad de Toronto recientemente introdujeron un marco que podría facilitar la observación experimental de un nuevo líquido de espín cuántico 3D conocido como hielo de espín cuántico octupolar de flujo π (π-O-QSI). Su trabajo, publicado en Physical Review Letters, predice las características espectroscópicas distintivas de este sistema, que podrían ser medidas en futuros experimentos.

'Curiosamente, los líquidos de espín cuántico pueden albergar excitaciones fraccionalizadas,' dijo Félix Desrochers, coautor del papel, a Phys.org. 'Es decir, los electrones en estos materiales parecen disociarse en múltiples componentes. Por ejemplo, mientras que los electrones llevan tanto espín como carga, la quasi-partícula emergente puede llevar espín pero no carga.'

'Estas excitaciones no surgen de la fragmentación de los electrones en varias piezas, sino que son más bien el resultado de una forma altamente no trivial de movimiento colectivo inducido por sus fuertes interacciones.'

Los físicos han estado buscando ejemplos claros del estado líquido de espín cuántico durante décadas. Sin embargo, el progreso en este campo de investigación ha sido lento hasta ahora, debido a dos factores principales.

En primer lugar, la elaboración de modelos teóricos que describan de manera realista los estados de líquidos de espín y que se puedan utilizar para derivar predicciones precisas, ha demostrado ser un desafío. En segundo lugar, la detección y caracterización de las propiedades físicas de estos sistemas en materiales reales también ha resultado difícil.

'El hielo de espín cuántico (QSI) es un raro ejemplo de un modelo con un estado de líquido de espín cuántico bien entendido y que también puede encontrarse en un material real (como la familia de pirocloros de tierras raras)', explicó Desrochers.

'El QSI es extraordinario ya que realiza la equivalencia de celosía de la electrodinámica cuántica: alberga modos emergentes similares a los fotones (es decir, excitaciones similares a las partículas de luz), partículas análogas a las cargas electrostáticas con interacción mutua de Coulomb conocidas como spinones e incluso monopolos magnéticos.'

Basado en predicciones teóricas, la electrodinámica cuántica que surge en QSI difiere significativamente de la electrodinámica convencional. Por ejemplo, la velocidad de la llamada 'luz emergente' debería ser del orden de 1 m/s, en contraposición a los 3x108 m/s de luz que encontramos en la vida cotidiana.

'Los experimentos recientes en Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 y Ce2Hf2O7 han sido extremadamente emocionantes,' comentó Desrochers. 'Los materiales no muestran signos de ordenamiento hasta la temperatura accesible más baja.'

'Análisis posteriores determinaron los parámetros microscópicos que describen su comportamiento. Descubrieron que el sistema está en una región del espacio de parámetros que teóricamente se sugiere que alberga un sabor específico de QSI conocido como hielo de espín cuántico de flujo π (π-QSI).'

Aunque los estudios recientes han recogido hallazgos alentadores, la identificación fiable de los líquidos de espín cuántico es una tarea altamente compleja, ya que incluso un desorden débil podría potencialmente interrumpir estos estados. Para detectar estos estados de manera inequívoca, los investigadores primero necesitan identificar distintivas que sean específicas para un líquido de espín cuántico, que permanezcan estables.

'Antes de nuestro trabajo, no había una propuesta clara para las huellas dactilares de la dinámica del espín en el π-flux QSI,' explicó Desrochers. 'Por lo tanto, nuestro trabajo tenía como objetivo destacar las distintivas posibles que podrían ayudar a identificar si el π-flux QSI se realiza en Ce2Zr2O7 y otros compuestos similares. Nos enfocamos especialmente en distintivas que podrían ser medidas con aparatos experimentales actualmente disponibles.'

Como parte de su estudio, Desrochers y su director de tesis doctoral, Yong Baek Kim, se propusieron predecir las caracteristicas distintivas del estado π-flux QSI utilizando un marco teórico introducido por Lucile Savary and Leon Balents en 2012, conocido como teoría del campo medio de calibración (GMFT). Este marco básicamente reescribe los operadores de espín iniciales basados en las excitaciones emergentes presentes en el hielo de espín cuántico, es decir, los fotones y los spinones.

'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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