Studiet afslører hulfri grundtilstand i en arketypisk kvantekagome

Ved lave nok temperaturer, magnetiske systemer bliver typisk til faste krystaller. Et berømt fænomen, hvorigennem dette sker, er ferromagnetisme, opstår, når alle elementære momenter eller spin interagerer på atomskalaen (dvs. den såkaldte Heisenberg-interaktion) og justere i én retning. Ferromagnetisme understøtter funktionen af ​​flere hverdagsgenstande, inklusive kompas, køleskabsmagneter og harddiske.

I nogle tilfælde, tilstødende øjeblikke og spins kan anti-alignes for at minimere parinteraktionsenergien. Når et gitter har en trekantet geometri, imidlertid, denne parvise minimering bliver umulig, giver anledning til et fænomen kendt som 'frustration." Frustration ser ud til at være et unikt værktøj til at besejre den klassiske magnetismes paradigmer og lade mere eksotiske kvantetilstande dukke op.

Fysikere har gennemført undersøgelser med det formål at bestemme grundtilstanden for frustrerede kvantemagneter i flere årtier nu, da dette kan have vigtige konsekvenser for det kondenserede stofs fysik. Med udgangspunkt i disse tidligere undersøgelser, forskere ved Paris-Saclay University og andre institutioner i Frankrig har for nylig udført et eksperiment med det formål at afsløre grundtilstanden for arketypisk kvantekagome ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ .

"På et trekantet gitter, spins ville klassisk bestilles i en vinkel på 120 grader, det bedste kompromis i den frustrerende sammenhæng, "Philippe Mendels, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I 1970'erne foreslog Phil Anderson et alternativ til dette bedste kompromis, når kvanteeffekter bliver vigtige, såsom med halve spins, den såkaldte resonerende valensbindingstilstand. Nabo spins ville stadig samles (gifte sig) i par og skilles ad (skilsmisse) for at skabe par mellem nye partnere, fører til en typisk fluktuerende parsamling."

Den vedvarende fluktuerende grundtilstand teoretiseret af Anderson er kendt som 'spin flydende' tilstand, da det ligner tilstanden observeret i væsker. Dette er en meget sammenfiltret tilstand med milliarder af spins, hvor individuelle spins mister deres identitet og smelter sammen i en makroskopisk kollektiv tilstand.

"Idéen med spin flydende tilstand blev genoplivet af Anderson selv som et frø til højtemperatursuperledning opdaget i 1980'erne, Mendels forklarede. "I 90'erne, folk begyndte at stille spørgsmålstegn ved, under hvilke forhold denne RVB-tilstand kunne stabiliseres i antiferromagneter. Forskere opdagede hurtigt, at kagome, et David-stjerneformet gitter bestående af hjørnedelte trekanter, kan være den ideelle struktur til at lede efter spin-væsker, især ved at bruge kvantespins 1/2, som er mest udsat for udsving."

I løbet af de sidste par årtier, mange undersøgelser fokuserede på to simple forskningsspørgsmål:om stabilisering af en spin flydende tilstand på et kagome gitter faktisk er muligt, og i så fald hvad den mest stabile grundtilstand, der kan opnås, er. Beviser tyder nu på, at det er muligt at opnå en spin flydende tilstand i kagome-gitre, men hvad den mest stabile tilstand, der kan opnås, er stadig uklart.

"Mens på den eksperimentelle side, kagome materialer er knappe, en af ​​dem, og stadig sandsynligvis det bedste eksempel til dato, ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ , blev først syntetiseret i midten af ​​2000'erne og produceret i krystallinsk form først i 2010'erne, Mendels sagde. "Dette fantastiske materiale gør det muligt for kvantemagnetisme-samfundet at udfordre teoretiske forudsigelser, og nu løfter vores nuværende forståelse af problemet."

I deres undersøgelse, som var med i Naturfysik , Mendels og hans kolleger undersøgte de magnetiske egenskaber af kagome ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ grundtilstanden. Deres ultimative mål var at opdage, hvilken klasse af spinvæsker dette materiale tilhører.

"Naturen er ikke perfekt, og selvom det sandsynligvis er den bedste prototype til kagome antiferromagnet, ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ lider stadig af defekter, " sagde Mendels. "Zn og Cu er for ens til at blive, hvor de ideelt set burde for at producere en perfekt spin-½ kagome antiferromagnet. Noget Cu ²⁺ spins finder faktisk ud af kagome-gitteret og skjuler undersøgelserne, opfordrer til standardeksperimenter såsom magnetiseringsspecifik varme."

I deres eksperimenter, Mendels og hans kolleger brugte nuklear magnetisk resonans (NMR), en teknik, der muliggør indsamling af lokale observationer, og som er grundlaget for magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), en af ​​de mest udbredte metoder til at opdage medicinske tilstande. Via lavtemperatur-NMR, de var i stand til at skelne mellem defekte og ikke-defekte områder i materialet for at isolere de unikke signaturer af kagome spins. Denne procedure tillod i sidste ende forskerne at udskille specifikke karakteristika og dynamik i ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ .

Når man forsøger at skelne mellem forskellige klasser af spinvæsker, videnskabsmænd skal først prøve at forstå, hvordan par af spins går i stykker på en måde, der passer med det billede, som Anderson har skitseret i hans teorier. Dette betyder at bestemme, om der er et hul mellem jord- og exciterede tilstande, hvilket kan være mere udfordrende, når man har at gøre med en superposition af kvantetilstande. Undersøgelsen udført af Mendels og hans kolleger kunne være et af de første skridt i denne retning.

"Ved at studere den lokale modtagelighed, reaktionen på et magnetfelt, og måden excitationerne opstår, når vi opvarmer prøven fra temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, vi viser tydeligt, at der ikke er et hul i excitationsenergispektret og diskuterer en vis overensstemmelse med nyere forudsigende teorier om excitationerne, Mendels sagde. Uanset hvad den endelige konklusion bliver, vi giver stærke begrænsninger til teorier og indsnævrer rækken af ​​mulige modeller."

I deres seneste arbejde, Mendels og hans kolleger indsamlede værdifuld ny indsigt om kagome-materialers tilstande og egenskaber. Samlet set, deres resultater tyder på, at arketypisk kvantekagome ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ rummer ikke noget spingab, som er afstemt med numeriske beregninger udført af andre forskerhold. I fremtiden, denne vigtige observation kunne tjene som grundlag for andre fysiske studier af kondenseret stof, i sidste ende udvide den nuværende forståelse af frustrerede kvantemagneter.

"En af vores langsigtede drømme er at producere en meget frustreret, hvis ikke kagome, kvantemateriale, der kunne dopes til at blive et metal, møde Andersons syn på en ny slags superleder, " sagde Mendels. "Omfanget af dette arbejde er endnu bredere, da topologi i kondenseret stof er blevet meget populær efter 2016 Nobelprisuddelingen. Kagome-baserede metaller er meget eftertragtede for deres topologiske egenskaber. Vores arbejde kan åbne nye veje til forskning i nye koncepter, men det kan også være med til at tackle nye udfordringer inden for grundlæggende fysik og materialevidenskab."

© 2020 Science X Network