Вычислительные исследования подтвердили первую трехмерную квантовую спиновую жидкость

Mar 02, 2024

ХЬЮСТОН – (10 мая 2022 г.) – Вычислительная детективная работа американских и немецких физиков подтвердила, что пирохлор церия-циркония представляет собой трехмерную квантово-спиновую жидкость.

Несмотря на название, квантово-спиновые жидкости представляют собой твердые материалы, в которых квантовая запутанность и геометрическое расположение атомов нарушают естественную тенденцию электронов магнитно упорядочиваться по отношению друг к другу. Геометрическое расстройство в квантово-спиновой жидкости настолько серьезно, что электроны колеблются между квантовыми магнитными состояниями, независимо от того, насколько холодными они становятся.

Физики-теоретики обычно работают с квантово-механическими моделями, демонстрирующими квантово-спиновые жидкости, но найти убедительные доказательства их существования в реальных физических материалах было задачей десятилетий. Хотя в качестве возможных квантово-спиновых жидкостей был предложен ряд 2D- и 3D-материалов, физик из Университета Райса Андрей Невидомский заявил, что среди физиков нет единого мнения, что какой-либо из них подходит.

Невидомский надеется, что ситуация изменится, основываясь на результатах вычислительного исследования, которое он и его коллеги из Университета штата Флорида Райс и Института физики сложных систем Макса Планка в Дрездене, Германия, опубликовали в этом месяце в журнале открытого доступа npj Quantum Materials.

«Основываясь на всех имеющихся у нас сегодня доказательствах, эта работа подтверждает, что монокристаллы пирохлора церия, идентифицированные в качестве кандидатов на трехмерные квантово-спиновые жидкости в 2019 году, действительно являются квантово-спиновыми жидкостями с фракционированными спиновыми возбуждениями», — сказал он.

Неотъемлемым свойством электронов, которое приводит к магнетизму, является спин. Каждый электрон ведет себя как крошечный стержневой магнит с северным и южным полюсами, и при измерении спины отдельных электронов всегда направлены вверх или вниз. В большинстве повседневных материалов вращение направлено вверх или вниз в случайном порядке. Но электроны антисоциальны по своей природе, и это может привести к тому, что в некоторых обстоятельствах они изменят свои спины относительно своих соседей. Например, в магнетиках спины расположены в одном направлении, а в антиферромагнетиках они расположены по схеме вверх-вниз, вверх-вниз.

При очень низких температурах квантовые эффекты становятся более заметными, и это заставляет электроны коллективно располагать свои спины в большинстве материалов, даже в тех, где спины будут направлены в случайных направлениях при комнатной температуре. Жидкости с квантовым спином являются противоположным примером, когда спины не указывают в определенном направлении — даже вверх или вниз — независимо от того, насколько холодным становится материал.

«Квантовая спиновая жидкость по самой своей природе является примером фракционированного состояния материи», — сказал Невидомский, доцент кафедры физики и астрономии и член Райсовой квантовой инициативы и Райсового центра квантовых материалов (RCQM). . «Отдельные возбуждения не являются переворотом спина сверху вниз или наоборот. Это причудливые делокализованные объекты, обладающие половиной степени свободы вращения. Это как половина вращения».

Невидомский участвовал в исследовании 2019 года, проведенном физиком-экспериментатором Райс Пэнчэн Даем, которое обнаружило первые доказательства того, что пирохлор церия-циркония является квантово-спиновой жидкостью. Образцы команды были первыми в своем роде: пирохлоры из-за соотношения церия, циркония и кислорода в них 2:2:7, а также монокристаллы, потому что атомы внутри них расположены в сплошную, непрерывную решетку. Эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов, проведенные Даем и его коллегами, выявили отличительную черту квантовой спиновой жидкости — континуум спиновых возбуждений, измеренный при температурах всего 35 милликельвинов.

«Можно утверждать, что они нашли подозреваемого и предъявили ему обвинение в преступлении», — сказал Невидомский. «Наша задача в этом новом исследовании заключалась в том, чтобы доказать присяжным, что подозреваемый виновен».

Невидомский и его коллеги построили свой случай, используя современные методы Монте-Карло, точную диагонализацию, а также аналитические инструменты для выполнения расчетов спиновой динамики для существующей квантово-механической модели пирохлора церия-циркония. Исследование было задумано Невидомским и Родерихом Месснером из Макса Планка, а моделирование в Монте-Карло было выполнено Анишем Бхардваджем из штата Флорида и Хитешем Чанглани при участии Хан Яна из Райса и Шу Чжана из Макса Планка.