Første eksperimentelle observation af ny type sammenfiltring i et 2-D kvantemateriale

Mange fysiske fænomener kan modelleres med relativt simpel matematik. Men, i kvanteverdenen er der et stort antal spændende fænomener, der stammer fra interaktionen mellem flere partikler - "mange kroppe" - som er notorisk vanskelige at modellere og simulere, selv med kraftfulde computere. Eksempler på kvante mange kropstilstande uden klassisk analog omfatter superledning, supervæsker, Bose-Einstein kondens, kvark-gluonplasma osv. Som et resultat heraf mange "quantum many-body" -modeller forbliver teoretiske, med lidt eksperimentel opbakning. Nu, forskere fra EPFL og Paul Scherrer Institut (PSI) har eksperimentelt indset en ny kvantitet, mange kropsstater i et materiale, der repræsenterer en berømt teoretisk model kaldet "Shastry-Sutherland" -modellen. Værket er udgivet i Naturfysik .

Selvom der er flere endimensionelle mangekropsmodeller, der kan løses nøjagtigt, der er kun en håndfuld i to-dimensioner (og endnu færre i tre). Sådanne modeller kan bruges som fyrtårne, vejlede og kalibrere udviklingen af ​​nye teoretiske metoder.

Shastry-Sutherland-modellen er en af ​​de få 2D-modeller, der har en præcis teoretisk løsning, som repræsenterer kvanteparvis sammenfiltring af magnetiske øjeblikke i en firkantet gitterstruktur. Når den blev undfanget, Shastry-Sutherland-modellen virkede som en abstrakt teoretisk konstruktion, men bemærkelsesværdigt blev det opdaget, at denne model realiseres eksperimentelt i materialet Sr2Cu (BO3) 2.

Mohamed Zayed i laboratoriet hos Henrik Rønnow ved EPFL og Christian Ruegg på PSI opdagede, at der kunne bruges pres til at tune materialet væk fra Shastry-Sutherland-fasen på en sådan måde, at en såkaldt kvantefaseovergang til en helt ny kvante mange kropstilstand blev nået.

I modsætning til klassiske faseovergange, såsom is (fast), der smelter i flydende vand og derefter fordamper som en gas, kvantefasetransitioner beskriver ændringer i kvantefaser ved absolut nultemperatur (273,15 ° C). De opstår på grund af kvantesvingninger, der selv udløses af ændringer i fysiske parametre - i dette tilfælde pres.

Forskerne var i stand til at identificere den nye kvantetilstand ved hjælp af neutronspektroskopi, som er en meget kraftfuld teknik til at undersøge magnetiske egenskaber af både kvantematerialer og teknologiske materialer. Kombination af neutronspektroskopi og høje tryk er meget udfordrende, og dette eksperiment er blandt de første til at gøre det for en kompleks kvantetilstand.

I Shastry-Sutherland modellen, atommagneterne-der stammer fra atomerne i atomets elektroner-er kvanteindviklet i par af to. Forskerne fandt ud af, at atommagneterne i den nye kvantefase forekommer kvanteindviklede i sæt med fire-såkaldte plaquette-singlets. "Dette er en ny type kvantefaseovergang, og mens der har været en række teoretiske undersøgelser om det, det er aldrig blevet undersøgt eksperimentelt, "siger Rønnow." Vores system muliggør yderligere undersøgelser af denne tilstand og arten af ​​overgangen til staten. "

Behovet for højt tryk begrænser, hvad der er eksperimentelt muligt i øjeblikket. Imidlertid, Rønnow og Ruegg bygger et nyt neutronspektrometer (CAMEA) på Paul Scherrer Institute, som vil være klar i slutningen af ​​2018, samt en anden ved European Spallation Source i Sverige, som kommer i drift i 2023. 4-spin-tilstanden i strontiumkobberborat vil være blandt de første forsøg med disse nye maskiner. Som et næste trin, eksperimenter, der kombinerer tryk og magnetfelter, kan give adgang til endnu uopdagede faser i kvantematerialer.

"Quantum mange-krops fysik er fortsat en udfordring, hvor teori kun har ridset overfladen af, hvordan man skal håndtere det, "siger Rønnow." Bedre metoder til at tackle kvante mange-kropsfænomener ville have konsekvenser fra materialevidenskab til kvanteinformationsteknologi. "