Lo studio delinea le firme spettroscopiche della frazionalizzazione nel ghiaccio di spin quantistico ottupolare

22 marzo 2024

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da Ingrid Fadelli, Phys.org

I liquidi di spin quantistici sono affascinanti sistemi quantistici che hanno recentemente attirato notevole attenzione da parte della ricerca. Questi sistemi sono caratterizzati da una forte competizione tra interazioni, che impedisce l'instaurazione di un ordine magnetico a lungo raggio, come quello osservato nei magneti convenzionali, in cui tutti gli spin si allineano nella stessa direzione per produrre un campo magnetico netto.

I ricercatori dell'Università di Toronto hanno recentemente introdotto un framework che potrebbe facilitare l'osservazione sperimentale di un nuovo liquido di spin quantistico 3D noto come π-flux octupolar quantum spin ice (π-O-QSI). Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, prevede le particolari firme spettroscopiche di questo sistema, che potrebbero essere misurate in futuri esperimenti.

'Interessantemente, i liquidi di spin quantistici possono ospitare eccitazioni fractionalizzate,' ha detto Félix Desrochers, coautore dell'articolo, a Phys.org. 'Ovvero, gli elettroni in questi materiali sembrano dissociarsi in più componenti. Ad esempio, mentre gli elettroni portano sia spin che carica, la quasiparticella emergente può portare spin ma nessuna carica.

'Queste eccitazioni non derivano dalla frammentazione degli elettroni in diverse parti, ma sono invece il risultato di una forma altamente non banale di moto collettiva indotta dalle loro forti interazioni.'

I fisici sono stati alla ricerca di chiari esempi dello stato di liquido di spin quantistico per decenni. Tuttavia, i progressi in questo campo di ricerca sono stati fino ad ora lenti, a causa di due fattori principali.

Primo, l'elaborazione di modelli teorici che descrivono realisticamente gli stati fondamentali dei liquidi di spin e che possono essere utilizzati per derivare previsioni accurate si è rivelata difficile. Secondo, rilevare e caratterizzare le proprietà fisiche di questi sistemi in materiali reali si è anche rivelato difficile.

'Il ghiaccio di spin quantistico (QSI) è un raro esempio di un modello con un ben compreso stato fondamentale di liquido di spin quantistico e può anche essere trovato in un materiale reale (come la famiglia dei pirosolfuri di terre rare),' ha spiegato Desrochers.

'QSI è straordinario poiché realizza l'equivalente reticolare delle elettrodinamiche quantistiche: ospita modalità emergenti simili ai fotoni (cioè, eccitazioni simili alle particelle di luce), particelle analoghe a cariche elettrostatiche con reciproca interazione di Coulomb conosciuta come spinoni e anche monopoli magnetici.'

In base alle previsioni teoriche, le elettrodinamiche quantistiche emergenti nel QSI differiscono notevolmente dalle elettrodinamiche convenzionali. Ad esempio, la velocità della cosiddetta 'luce emergente' dovrebbe essere dell'ordine di 1 m/s, rispetto ai 3x108 m/s della luce che incontriamo nella vita quotidiana.

'Gli esperimenti recenti su Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 e Ce2Hf2O7 sono stati estremamente eccitanti,' ha detto Desrochers. 'I materiali non mostrano alcun segno di ordinamento fino alla temperatura più bassa accessibile.

'Ulteriori analisi hanno determinato i parametri microscopici che descrivono il suo comportamento. Hanno scoperto che il sistema si trova in una regione dello spazio dei parametri che è teoricamente suggerita per ospitare un particolare sapore di QSI noto come π-flux quantum spin ice (π-QSI).'

Nonostante i recenti studi abbiano raccolto risultati incoraggianti, identificare con fiabilità i liquidi di spin quantistici è un compito molto complesso, poiché anche un debole disordine potrebbe potenzialmente interrompere questi stati. Per rilevare in modo inequivocabile questi stati, i ricercatori devono prima identificare firme distintive specifiche per un liquido di spin quantistico, che rimangono stabili.

'Prima del nostro lavoro, non c'era alcuna proposta chiara per le firme fumogene della dinamica di spin in π-flux QSI,' ha spiegato Desrochers. 'Il nostro lavoro quindi mirava a evidenziare potenziali firme distinte che potrebbero aiutare a identificare se π-flux QSI è realizzato in Ce2Zr2O7 e altri composti simili. Ci siamo concentrati in particolar modo su firme che potrebbero essere misurate con apparecchiature sperimentali attualmente disponibili.'

Nell'ambito del loro studio, Desrochers e il suo supervisore di dottorato Yong Baek Kim hanno cercato di prevedere le distintive firme spettroscopiche dello stato π-flux QSI utilizzando un framework teorico introdotto da Lucile Savary e Leon Balents nel 2012, noto come teoria del campo medio di gauge (GMFT). Questo framework riscrive essenzialmente gli operatori di spin iniziali basati sulle eccitazioni emergenti presenti nel ghiaccio di spin quantistico, ovvero fotoni e spinoni.

'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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