Обчислювальна розвідка підтверджує першу тривимірну квантову спінову рідину

Обчислювальна розвідка підтверджує першу тривимірну квантову спінову рідину


Тривимірне зображення континууму спінового збудження — можливої ​​ознаки квантової спінової рідини — спостерігалося в 2019 році в монокристалі церій-цирконієвого пірохлору. Авторство: Tong Chen/Rice University

Обчислювальна детективна робота американських і німецьких фізиків підтвердила, що пірохлор церій цирконію є тривимірною квантовою рідиною.

Незважаючи на назву, квантові спінові рідини є твердими матеріалами, в яких квантова заплутаність і геометричне розташування атомів зривають природну тенденцію електронів магнітно впорядковуватися один щодо одного. Геометрична фрустрація в рідині з квантовим спіном настільки серйозна, що електрони коливаються між квантовими магнітними станами, незалежно від того, наскільки холодними вони стають.

Фізики-теоретики регулярно працюють з квантовомеханічними моделями, які демонструють квантові спінові рідини, але знайти переконливі докази того, що вони існують у реальних фізичних матеріалах, було проблемою протягом десятиліть. Хоча ряд 2D або 3D матеріалів було запропоновано як можливі квантові спінові рідини, фізик Університету Райса Андрій Невидомський сказав, що серед фізиків немає консенсусу щодо того, що будь-який з них відповідає вимогам.

Невидомський сподівається, що це зміниться на основі обчислювальної розвідки, яку він та його колеги з Райса, Університету штату Флорида та Інституту фізики складних систем Макса Планка в Дрездені, Німеччина, опубліковані цього місяця в журналі з відкритим доступом. npj квантові матеріали.

«На основі всіх доказів, які ми маємо сьогодні, ця робота підтверджує, що монокристали пірохлору церію, визначені як кандидати в 3D-квантові спінові рідини в 2019 році, дійсно є квантовими спіновими рідинами з фракційованими спіновими збудженнями», — сказав він.

Невід’ємною властивістю електронів, що призводить до магнетизму, є спін. Кожен електрон веде себе як крихітний магніт з північним і південним полюсами, і під час вимірювання окремі оберти електрона завжди спрямовані вгору або вниз. У більшості повсякденних матеріалів обертання вказують довільно вгору або вниз. Але електрони за своєю природою антисоціальні, і це може змусити їх розташовувати свої оберти по відношенню до своїх сусідів за певних обставин. У магнітах, наприклад, спіни спільно розташовані в одному напрямку, а в антиферомагнетиках вони розташовані вгору-вниз, вгору-вниз.

При дуже низьких температурах квантові ефекти стають більш помітними, і це змушує електрони спільно влаштовувати свої спіни в більшості матеріалів, навіть у тих, де спіни вказують у випадкових напрямках при кімнатній температурі. Квантові спінові рідини є протилежним прикладом, коли спіни не вказують у певному напрямку — навіть вгору чи вниз — незалежно від того, наскільки холодним стає матеріал.

«Квантова спінова рідина за самою своєю природою є прикладом фракційного стану матерії», — сказав Невидомський, доцент фізики та астрономії, член як Rice Quantum Initiative, так і Rice Center for Quantum Materials (RCQM). . “Індивідуальні збудження не є обертовими переворотами згори вниз або навпаки. Це ці дивні, делокалізовані об’єкти, які несуть половину одного спінового ступеня свободи. Це як половина оберту”.

Невидомський був учасником дослідження 2019 року під керівництвом фізика-експериментатора Райса Пенгченга Дая, яке виявило перші докази того, що пірохлор церій-цирконію був квантовою рідиною, що обертається. Зразки команди були першими у своєму роді: пірохлори через співвідношення церію, цирконію та кисню 2:2 до 7, а також монокристали, оскільки атоми всередині були розташовані у безперервній, нерозривній ґратці. Експерименти з непружного розсіювання нейтронів, проведені Даєм і його колегами, виявили характерну ознаку квантової спінової рідини — континуум спінових збуджень, виміряний при температурах аж до 35 мілікельвінів.

«Можна стверджувати, що вони знайшли підозрюваного і звинуватили його у злочині», – сказав Невидомський. «Наша робота в цьому новому дослідженні полягала в тому, щоб довести присяжним, що підозрюваний винен».

Невидомський та його колеги побудували свій корпус, використовуючи найсучасніші методи Монте-Карло, точну діагоналізацію, а також аналітичні інструменти для виконання розрахунків спінової динаміки для існуючої квантовомеханічної моделі церій-цирконієвого пірохлору. Дослідження було задумано Невидомським і Родеріхом Месснером з Макса Планка, а моделювання в Монте-Карло виконали Аніш Бхардвадж зі штату Флорида і Хітеш Чанглані за участю Хан Яня Райса і Шу Чжана з Макса Планка.

«Основа для цієї теорії була відома, але точних параметрів, яких є щонайменше чотири, не було», – сказав Невидомський. «У різних сполуках ці параметри можуть мати різні значення. Нашою метою було знайти ці значення для пірохлору церію та визначити, чи описують вони квантову спінову рідину».

​​​​​Обчислювальна розвідка підтверджує першу тривимірну квантову спінову рідину |  Райс Новини |  Новини та зв'язки зі ЗМІ

Американські та німецькі фізики знайшли докази того, що кристали пірохлору церій-цирконію є «октуполярними квантовими спіновими рідинами», в яких октуполярні магнітні моменти (червоний і синій) сприяють фракційному магнетизму. Авторство: А. Невидомський/Університет Райса

«Це було б як експерт з балістики, який використовує другий закон Ньютона для обчислення траєкторії кулі», — сказав він. «Закон Ньютона відомий, але він має передбачувану силу, лише якщо ви надаєте початкові умови, такі як маса кулі та початкова швидкість. Ці початкові умови аналогічні цим параметрам. Нам довелося провести реверс-інжиніринг або розвідати: «Що це за початкові умови всередині цього церієвого матеріалу?’ і «Чи відповідає це передбаченню цієї квантової спінової рідини?»

Щоб побудувати переконливий випадок, дослідники перевірили модель на порівнянні з результатами термодинамічного розсіювання, розсіювання нейтронів і намагнічування з раніше опублікованих експериментальних досліджень церій-цирконієвого пірохлору.

«Якщо у вас є лише один доказ, ви можете ненавмисно знайти кілька моделей, які все ще відповідають опису», – сказав Невидомський. «Насправді ми зіставили не один, а три різних докази. Отже, один кандидат мав відповідати всім трьом експериментам».

Деякі дослідження припускають той самий тип квантових магнітних флуктуацій, які виникають у квантових спінових рідинах, як можливу причину нетрадиційної надпровідності. Але Невидомський сказав, що результати обчислень в першу чергу представляють фундаментальний інтерес для фізиків.

«Це задовольняє наше вроджене бажання, як фізиків, з’ясувати, як працює природа», – сказав він. «Я не знаю жодного додатка, який міг би принести користь. Він не безпосередньо пов’язаний з квантовими обчисленнями, хоча існують ідеї щодо використання дробових збуджень як платформи для логічних кубітів».

Він сказав, що одним з особливо цікавих моментів для фізиків є глибокий зв’язок між квантовими спіновими рідинами та експериментальною реалізацією магнітних монополів, теоретичних частинок, потенційне існування яких досі обговорюється космологами та фізиками високих енергій.

«Коли люди говорять про фракціоналізацію, вони мають на увазі, що система поводиться так, ніби фізична частинка, як електрон, розпадається на дві половини, які блукають, а потім десь рекомбінують», — сказав Невидомський. «А в пірохлорних магнітах, таких як той, який ми досліджували, ці блукаючі об’єкти до того ж поводяться як квантові магнітні монополі».

Магнітні монополі можна уявити як ізольовані магнітні полюси, як або спрямований вгору або вниз полюс окремого електрона.

«Звичайно, у класичній фізиці ніколи не можна відокремити лише один кінець стержня-магніту», — сказав він. «Північний і південний монополі завжди бувають парами. Але в квантовій фізиці магнітні монополі гіпотетично можуть існувати, і квантові теоретики побудували їх майже 100 років тому, щоб досліджувати фундаментальні питання квантової механіки.

«Наскільки нам відомо, у нашому Всесвіті магнітні монополі в сирому вигляді не існують», – сказав Невидомський. «Але з’ясувалося, що в цих квантових спінових рідинах пірохлору церію справді існує химерна версія монополів. Один перевертання спину створює дві фракційовані квазічастинки, які називаються спінонами, які поводяться як монополі і блукають навколо кристалічної решітки».

Дослідження також виявило докази того, що монопольні спінони були створені незвичайним способом в церій-цирконієвому пірохлорі. Через тетраедричне розташування магнітних атомів у пірохлорі дослідження показує, що вони розвивають октуполярні магнітні моменти — спіноподібні магнітні квазічастинки з вісьмома полюсами — при низьких температурах. Дослідження показало, що спінони в матеріалі були отримані як із цих октуполярних джерел, так і з більш звичайних, диполярних спінових моментів.

«Наше моделювання встановило точні пропорції взаємодії цих двох компонентів один з одним», – сказав Невидомський. «Це відкриває нову главу в теоретичному розумінні не тільки матеріалів пірохлору церію, але й октуполярних квантових спінових рідин загалом».


Фізики знайшли першу можливу тривимірну квантову спінову рідину


Більше інформації:
Anish Bhardwaj et al., Вишукування екзотичної квантової спінової ліквідності в пірохлорному магніті Ce2Zr2O7, npj квантові матеріали (2022). DOI: 10.1038/s41535-022-00458-2

Надано Університетом Райса

Цитування: Обчислювальна розвідка підтверджує першу тривимірну квантову спінову рідину (2022, 10 травня), отриману 11 травня 2022 року з https://phys.org/news/2022-05-sleuthing-3d-quantum-liquid.html

Цей документ є об’єктом авторського права. За винятком будь-яких чесних відносин з метою приватного вивчення або дослідження, жодна частина не може бути відтворена без письмового дозволу. Вміст надається виключно в інформаційних цілях.





Source link

Залишити коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.