Численная детективная работа подтверждает жидкостное магнитное устройство в предыдущих экспериментах

Несмотря на название, квантовые спиновые жидкости представляют собой твердые тела, в которых квантовая запутанность и геометрическое расположение атомов препятствуют естественной тенденции электронов выстраиваться магнитным образом по отношению друг к другу. Геометрическая фрустрация в квантовой спиновой жидкости настолько серьезна, что электроны колеблются между квантово-магнитными состояниями независимо от того, насколько они холодны.

Физики-теоретики обычно работают с квантово-механическими моделями, которые показывают квантовые спиновые жидкости, но найти убедительные доказательства их существования в реальных физических материалах было проблемой на протяжении десятилетий. В то время как ряд 2D или 3D материалов были предложены в качестве спиновых квантовых жидкостей, физик из Университета Райса Андрей Невидумский сказал, что среди физиков нет твердого консенсуса относительно того, подходит ли какой-либо из них.

Неведомский надеется, что это изменится на основе компьютерного шпионажа, проведенного им и его коллегами из Университета штата Флорида Райса и Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене, Германия, который был опубликован в этом месяце в журнале Open Access. npj квантовые материалы

«Основываясь на всех имеющихся у нас сегодня доказательствах, эта работа подтверждает, что монокристаллы перхлороцерия, идентифицированные в 2019 году как кандидаты в трехмерные квантовые спиновые жидкости, действительно являются квантовыми спиновыми жидкостями со спин-фрагментированным возбуждением», — сказал он.

Свойством электронов, которое приводит к магнетизму, является спин. Каждый электрон ведет себя как маленький магнитный стержень с северным и южным полюсами, и при измерении спины отдельных электронов всегда указывают вверх или вниз. В большинстве материалов, которые мы используем в повседневной жизни, шпиндели произвольно направлены вверх или вниз. Но электроны по своей природе антисоциальны, и это может заставить их при определенных обстоятельствах расположить свой спин по отношению к своим соседям. В магнитах, например, спины коллективно расположены в одном и том же направлении, а в антимагнетиках они расположены сверху вниз и сверху вниз.

При очень низких температурах квантовые эффекты становятся более выраженными, и это заставляет электроны группировать свои спины в большинстве материалов, даже в тех, в которых спины направлены в случайных направлениях при комнатной температуре. Квантовые спиновые жидкости — это контрпример, в котором спин не указывает в определенном направлении — даже вверх или вниз — независимо от того, насколько холоден материал.

«Спиновая квантовая жидкость по самой своей природе является примером фрагментированного состояния материи», — сказал Невидумский, доцент кафедры физики и астрономии и член как Rice Quantum Initiative, так и Rice Center for Quantum Materials (RCQM). . . «Единичное возбуждение — это не флуктуации вращения сверху вниз или наоборот. Это странные непозиционные штуки, которые удерживают полградуса вращения при одной степени свободы. Это как пол-оборота».

Невидумский участвовал в исследовании 2019 года, проведенном под руководством физика-экспериментатора Райс Пенгченг Дай, которое обнаружило первые доказательства того, что перхлорид церия-циркония является квантовой жидкостью. Образцы группы были первыми в своем роде: пирохлоры из-за соотношения церия, циркония и кислорода 2 к 2 к 7, и монокристаллы из-за того, что атомы внутри были расположены в непрерывной, непрерывной решетке. Эксперименты Дая и его коллег по неупругому рассеянию нейтронов выявили отличительную особенность квантовой спиновой жидкости — континуума спинового возбуждения, измеренного при температуре всего 35 миллиК.

«Можно утверждать, что нашли подозреваемого и обвинили его в совершении преступления», — сказал Неведомский. Нашей задачей в этом новом исследовании было доказать присяжным, что подозреваемый виновен.

Невидумский и его коллеги построили свой случай, используя современные методы Монте-Карло, микродистилляцию, а также аналитические инструменты для выполнения расчетов спиновой динамики существующей квантово-механической модели перхлорида церия-циркония. Исследование было разработано Невидумски и Родрихом Моснером из Max Planck, а моделирование методом Монте-Карло было выполнено Анишем Бхардваджем и Хитешем Чанглани из штата Флорида при участии Райс Хан Ян и Шу Чжана из Max Planck.

«Основы этой теории были известны, но не были известны точные параметры, которых минимум четыре», — сказал Неведомский. «В разных соединениях эти параметры могут иметь разные значения. Наша цель состояла в том, чтобы найти эти значения для перхлорида церия и определить, описывают ли они квантовую спиновую жидкость.

«Это было бы похоже на эксперта по баллистике, который использует второй закон Ньютона для расчета траектории пули», — сказал он. «Закон Ньютона известен, но он имеет предсказательную силу только в том случае, если он обеспечивает начальные условия, такие как масса пули и начальная скорость. Эти начальные условия идентичны этим параметрам. «Каковы эти начальные условия в этом цериевом материале? и «Соответствует ли это предсказанию квантовой спиновой жидкости?»

Чтобы создать убедительный аргумент, исследователи проверили модель на результатах термодинамики, рассеяния нейтронов и магнетизма из ранее опубликованных экспериментальных исследований перхлорида церия-циркония.

«Если у вас есть только одна подсказка, вы можете случайно найти несколько моделей, которые все еще соответствуют описанию», — сказал Неведомский. «На самом деле мы сопоставили не одно руководство, а три разных руководства. Поэтому один кандидат должен был соответствовать всем трем испытаниям».

Некоторые исследования указывают на тот же тип квантовых магнитных флуктуаций, которые возникают в квантовых спиновых жидкостях, как на возможную причину нетрадиционной сверхпроводимости. Но Невидумский сказал, что результаты вычислений в основном представляют фундаментальный интерес для физиков.

«Это удовлетворяет наше врожденное желание физиков узнать, как работает природа», — сказал он. «Нет ни одного приложения, которое, как я знаю, было бы полезным. Оно не имеет непосредственного отношения к квантовым вычислениям, хотя есть идеи использования сегментированных возбуждений в качестве платформы для логических кубитов».

По его словам, один момент, представляющий особый интерес для физиков, — это глубокая связь между квантовыми спиновыми жидкостями и экспериментальной реализацией магнитных монополей, теоретических частиц, возможное существование которых до сих пор обсуждается космологами и физиками высоких энергий.

«Когда люди говорят о фрагментации, они имеют в виду, что система ведет себя так, как если бы физическая частица, такая как электрон, распадалась пополам, чтобы обойти их вокруг себя, а затем где-то позже они объединялись», — сказал Неведомский. «И в перхлоратных магнитах, подобных тому, который мы изучали, эти блуждающие объекты также ведут себя как квантовые магнитные монополи».

Магнитные монополи можно представить как изолированные магнитные полюса, такие как направленный вверх или вниз полюс одного электрона.

Конечно, сказал он, в классической физике нельзя изолировать только один конец стержневого магнита. «Северные и южные монополи всегда идут парами. Но в квантовой физике магнитные монополи могут существовать виртуально, и квантовые теоретики создали их почти 100 лет назад для изучения фундаментальных вопросов квантовой механики.

«Насколько нам известно, в нашей Вселенной нет магнитных одиночных полюсов в необработанном виде», — сказал Неведомский. «Но оказывается, что вымышленная версия монополя уже присутствует в этих квантовых перхлорных цериевых жидкостях. Единое спиновое ядро ​​создает две фрагментированные частицы, называемые спинонами, которые ведут себя как монополи и блуждают по кристаллической решетке».

Исследование также обнаружило доказательства того, что монополярные спиноны были созданы необычным образом в перхлориде циркония-церия. Из-за тетраэдрического расположения магнитных атомов в пирохлоре исследование предполагает, что они развивают октаэдрические магнитные моменты — спиноподобные магнитные квазичастицы с восемью полюсами — при более низких температурах. Исследование показало, что спины в материале были созданы из этих двух восьмиполюсных источников и обычных дипольных спиновых моментов.

«Наше моделирование определило точные пропорции взаимодействия этих двух компонентов друг с другом», — сказал Неведомский. «Это открывает новую главу в теоретическом понимании не только материалов перхлорида церия, но и спиновых квантовых октаполярных жидкостей в целом».

Исследование финансировалось Департаментом исследования материалов Национального научного фонда (1917511, 1644779, 2046570, 1742928, 1748958, 1607611), Фондом Уэлча (C-1818) и Немецким исследовательским фондом (SFB-1143-247310070, EXC). -2147-390858490). Ученые благодарят Институт теоретической физики им. Кавли и Физический центр Аспена, где проводилась часть исследований.

RCQM использует глобальное партнерство и сильные стороны более 20 исследовательских групп Rice Group для решения вопросов, связанных с квантовыми материалами. RCQM поддерживается офисами декана Райс и вице-президента по исследованиям, Школой естественных наук Висса, Инженерной школой Брауна, Институтом Смолли-Керла, а также факультетами физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии.