Studie schetst spectroscopische handtekeningen van fractionering in octupolaire kwantum spin-ijs

22 maart 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en het beleid van Science X. De redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt om de betrouwbaarheid van de inhoud te waarborgen:

• geverifieerde feiten
• gepubliceerd in een peer-reviewed tijdschrift
• bekende bron
• nagelezen

door Ingrid Fadelli, Phys.org

Kwantum spin vloeistoffen zijn fascinerende kwantumsystemen die recentelijk aanzienlijke onderzoeksbelangstelling hebben gekregen. Deze systemen worden gekenmerkt door een sterke concurrentie tussen interacties, die de totstandkoming van een langdurige magnetische orde verhindert, zoals bij conventionele magneten, waar alle spins in dezelfde richting uitlijnen om een netto magnetisch veld te produceren.

Recentelijk hebben onderzoekers aan de Universiteit van Toronto een raamwerk geïntroduceerd dat de experimentele observatie van een nieuwe 3D kwantumspin vloeistof genaamd π-flux octupolair kwantum spin ijs (π-O-QSI) kan vergemakkelijken. Hun paper, gepubliceerd in Physical Review Letters, voorspelt de onderscheidende spectroscopische handtekeningen van dit systeem, welke in toekomstige experimenten kunnen worden gemeten.

'Interessant genoeg kunnen kwantumspin vloeistoffen gedissocieerd excitaties bevatten,' zegt Félix Desrochers, medeauteur van het paper, aan Phys.org. 'Dat wil zeggen dat de elektronen in deze materialen lijken te dissociëren in meerdere componenten. Bijvoorbeeld terwijl elektronen zowel spin als lading dragen, kan het opkomende quasideeltje spin dragen maar geen lading.

'Deze excitaties ontstaan niet door de fragmentatie van de elektronen in verschillende delen, maar is eerder het resultaat van een zeer weinig triviaal vorm van collectieve beweging die door hun sterke interacties wordt geïnduceerd.'

Natuurkundigen zoeken al tientallen jaren naar duidelijke voorbeelden van de kwantum spin vloeistof toestand. Desondanks is de vooruitgang in dit onderzoeksgebied tot nu toe traag geweest, om twee primaire redenen.

Ten eerste is het bedenken van theoretische modellen die de spinvloeistof-grondtoestanden realistisch beschrijven en die kunnen worden gebruikt om nauwkeurige voorspellingen te doen, uitdagend gebleken. Ten tweede bleek het ook moeilijk om de fysieke eigenschappen van deze systemen in echte materialen op te sporen en te karakteriseren.

'Kwantum spin ijs (QSI) is een zeldzaam voorbeeld van een model met een goed begrepen kwantum spinvloeistof grondtoestand en kan ook worden gevonden in een echt materiaal (zoals de familie van zeldzame-aarde pyrochloren),' legt Desrochers uit.

'QSI is buitengewoon omdat het de rooster equivalent realiseert van kwantum elektrodynamica: het herbergt opkomende fotonachtige modi (oftewel, excitaties vergelijkbaar met deeltjes van licht), deeltjes analoog aan elektrostatische ladingen met wederzijdse Coulomb interactie genaamd spinons en zelfs magnetische monopolen.'

Op basis van theoretische voorspellingen, verschilt de kwantum elektrodynamica die opduikt in QSI aanzienlijk van conventionele elektrodynamica. Bijvoorbeeld, de snelheid van het zogenaamde 'opkomende licht' zou in de orde van 1 m/s moeten liggen, in tegenstelling tot de 3x108 m/s van het licht dat we in het dagelijkse leven tegenkomen.

'Recente experimenten op Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 en Ce2Hf2O7 zijn extreem opwindend geweest,' zei Desrochers. 'De materialen vertonen geen teken van ordening tot aan de laagst toegankelijke temperatuur.

'Verdere analyses bepaalden de microscopische parameters die het gedrag beschrijven. Ze ontdekten dat het systeem zich in een gebied van de parameter ruimte bevindt dat theoretisch wordt gesuggereerd om een specifieke variant van QSI te herbergen die bekend staat als π-flux kwantum spin ijs (π-QSI).'

Terwijl recente studies bemoedigende bevindingen hebben verkregen, blijft het betrouwbaar identificeren van kwantumspin vloeistoffen een uiterst complexe taak, omdat zelfs een zwakke stoornis deze toestanden potentieel kan verstoren. Om deze toestanden ondubbelzinnig op te sporen, moeten onderzoekers eerst onderscheidende handtekeningen identificeren die specifiek zijn voor een kwantumspin vloeistof, welke stabiel blijven.

'Vóór ons werk was er geen duidelijk voorstel voor sprekend bewijs van de spindynamiek in π-flux QSI,' legt Desrochers uit. 'Ons werk had dus tot doel om potentiële verschillende handtekeningen te benadrukken die kunnen helpen identificeren of π-flux QSI wordt gerealiseerd in Ce2Zr2O7 en andere vergelijkbare verbindingen. We hebben vooral geconcentreerd op handtekeningen die kunnen worden gemeten met de momenteel beschikbare experimentele apparatuur.'

In het kader van hun onderzoek stelden Desrochers en zijn promotor Yong Baek Kim zich tot doel de onderscheidende spectroscopische handtekeningen van de π-flux QSI-toestand te voorspellen met behulp van een theoretisch kader dat in 2012 werd geïntroduceerd door Lucile Savary en Leon Balents, bekend als het tommodel veldtheorie (GMFT). Dit kader herschrijft in feite de initiële spinoperatoren op basis van de opkomende excitaties aanwezig in kwantum spin ijs, namelijk fotonen en 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

© 2024 Science X Network