L'étude détaille les signatures spectroscopiques de la fractionnalisation dans la glace de spin quantique octupolaire

Le 22 mars 2024

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les liquides de spin quantiques sont des systèmes quantiques fascinants qui ont récemment attiré une attention de recherche significative. Ces systèmes sont caractérisés par une forte compétition entre les interactions, qui empêche l'établissement d'un ordre magnétique à longue distance, comme celui observé dans les aimants traditionnels, où tous les spins s'alignent dans la même direction pour produire un champ magnétique net.

Des chercheurs de l'Université de Toronto ont récemment introduit un cadre qui pourrait faciliter l'observation expérimentale d'un nouveau liquide de spin quantique 3D connu sous le nom de π-flux octupolaire liquide de spin quantique (π-O-QSI). Leur article, publié dans Physical Review Letters, prédit les signatures spectroscopiques distinctives de ce système, qui pourraient être mesurées dans de futures expériences.

'De manière intéressante, les liquides de spin quantiques peuvent héberger des excitations fractionnées', a déclaré Félix Desrochers, co-auteur de l'article, à Phys.org. 'A savoir, les électrons dans ces matériaux semblent se dissocier en plusieurs composants. Par exemple, alors que les électrons transportent à la fois le spin et la charge, la quasiparticule émergente peut transporter le spin mais pas la charge.

'Ces excitations ne résultent pas de la fragmentation des électrons en plusieurs morceaux, mais sont plutôt le résultat d'une forme de mouvement collectif très non triviale induite par leurs fortes interactions.'

Les physiciens cherchent depuis des décennies des exemples clairs de l'état liquide de spin quantique. Néanmoins, les progrès dans ce domaine de recherche ont été lents jusqu'à présent, en raison de deux facteurs principaux.

Premièrement, l'élaboration de modèles théoriques qui décrivent de manière réaliste les états fondamentaux des liquides de spin et qui peuvent être utilisés pour dériver des prédictions précises s'est avérée difficile. Deuxièmement, la détection et la caractérisation des propriétés physiques de ces systèmes dans les matériaux réels se sont également avérées difficiles.

'La glace de spin quantique (QSI) est un rare exemple d'un modèle avec un état fondamental de liquide de spin quantique bien compris et qui peut également être trouvé dans un matériau réel (comme la famille des pyrochlores de terres rares)', a expliqué Desrochers.

'QSI est extraordinaire car elle réalise l'équivalent sur lattice de l'électrodynamique quantique : elle abrite des modes émergents de type photon (c.-à-d., des excitations similaires aux particules de lumière), des particules analogues aux charges électrostatiques avec une interaction de Coulomb mutuelle connue sous le nom de spinons et même des monopôles magnétiques.'

Sur la base des prédictions théoriques, l'électrodynamique quantique émergente dans QSI diffère significativement de l'électrodynamique conventionnelle. Par exemple, la vitesse de la soi-disant 'lumière émergente' devrait être de l'ordre de 1 m/s, contrairement aux 3x108 m/s de lumière que nous rencontrons dans la vie quotidienne.

'Les expériences récentes sur Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 et Ce2Hf2O7 ont été extrêmement excitantes', a déclaré Desrochers. 'Les matériaux ne montrent aucun signe d'ordre jusqu'à la température accessible la plus basse.

'Des analyses plus approfondies ont déterminé les paramètres microscopiques décrivant son comportement. Ils ont constaté que le système se situe dans une région de l'espace des paramètres qui est théoriquement suggérée pour abriter une saveur spécifique de QSI connue sous le nom de glace de spin quantique à flux π (π-QSI).'

Bien que des études récentes aient recueilli des conclusions encourageantes, l'identification fiable des liquides de spin quantiques est une tâche très complexe, car même un désordre faible pourrait potentiellement perturber ces états. Pour détecter ces états de manière non équivoque, les chercheurs doivent d'abord identifier des signatures distinctives qui sont spécifiques à un liquide de spin quantique, qui restent stables.

'Avant notre travail, il n'y avait pas de proposition claire pour les signatures indubitables de la dynamique de spin dans le π-flux QSI', a expliqué Desrochers. 'Notre travail visait donc à mettre en évidence des signatures distinctives potentielles qui pourraient aider à identifier si le π-flux QSI est réalisé dans Ce2Zr2O7 et d'autres composés similaires. Nous nous sommes particulièrement concentrés sur les signatures qui pourraient être mesurées avec l'équipement expérimental actuellement disponible.'

Dans le cadre de leur étude, Desrochers et son directeur de thèse Yong Baek Kim ont cherché à prédire les signatures spectroscopiques distinctives de l'état π-flux QSI à l'aide d'un cadre théorique introduit par Lucile Savary et Leon Balents en 2012, connu sous le nom de théorie du champ moyen de jauge (GMFT). Ce cadre réécrit essentiellement les opérateurs de spin initiaux en fonction des excitations émergentes présentes dans la glace de spin quantique, à savoir les photons et les spinons.

'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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