Computational sleuthing bekræfter den første 3D-kvantespinvæske

Beregningsmæssigt detektivarbejde udført af amerikanske og tyske fysikere har bekræftet, at cerium zirconium pyrochlor er en 3D kvantespinvæske.

På trods af navnet er kvantespinvæsker faste materialer, hvor kvantesammenfiltring og det geometriske arrangement af atomer modvirker elektronernes naturlige tendens til magnetisk at ordne sig i forhold til hinanden. Den geometriske frustration i en kvantespinvæske er så alvorlig, at elektroner svinger mellem kvantemagnetiske tilstande, uanset hvor kolde de bliver.

Teoretiske fysikere arbejder rutinemæssigt med kvantemekaniske modeller, der manifesterer kvantespinvæsker, men at finde overbevisende beviser for, at de findes i faktiske fysiske materialer, har været en årtier lang udfordring. Mens en række 2D- eller 3D-materialer er blevet foreslået som mulige kvantespinvæsker, har Rice University-fysiker Andriy Nevidomskyy sagt, at der ikke er etableret konsensus blandt fysikere om, at nogen af ​​dem kvalificerer sig.

Nevidomskyy håber, at det vil ændre sig baseret på den beregningsmæssige undersøgelse, han og kolleger fra Rice, Florida State University og Max Planck Institute for Physics of Complex Systems i Dresden, Tyskland, offentliggjort i denne måned i det åbne tidsskrift npj Quantum Materials .

"Baseret på alle de beviser, vi har i dag, bekræfter dette arbejde, at enkeltkrystallerne af ceriumpyrochloret, der blev identificeret som kandidat 3D kvantespinvæsker i 2019, faktisk er kvantespinvæsker med fraktioneret spin-excitationer," sagde han.

Elektronernes iboende egenskab, der fører til magnetisme, er spin. Hver elektron opfører sig som en lille stangmagnet med en nord- og sydpol, og når de måles, peger individuelle elektronspin altid op eller ned. I de fleste hverdagsmaterialer peger spins tilfældigt op eller ned. Men elektroner er asociale af natur, og det kan få dem til at arrangere deres spins i forhold til deres naboer under nogle omstændigheder. I magneter er spins for eksempel samlet i samme retning, og i antiferromagneter er de arrangeret i et op-ned, op-ned-mønster.

Ved meget lave temperaturer bliver kvanteeffekter mere fremtrædende, og dette får elektroner til at arrangere deres spins kollektivt i de fleste materialer, selv dem, hvor spin peger i tilfældige retninger ved stuetemperatur. Kvantespinvæsker er et modeksempel, hvor spins ikke peger i en bestemt retning – heller ikke op eller ned – uanset hvor koldt materialet bliver.

"En kvantespinvæske er i sagens natur et eksempel på en fraktioneret tilstand af stof," sagde Nevidomskyy, lektor i fysik og astronomi og medlem af både Rice Quantum Initiative og Rice Center for Quantum Materials (RCQM) . "De individuelle excitationer er ikke spin flips fra op til ned eller omvendt. De er disse bizarre, delokaliserede objekter, der bærer halvdelen af ​​en spin frihedsgrad. Det er ligesom halvdelen af ​​et spin."

Nevidomskyy var en del af 2019-undersøgelsen ledet af Rice-eksperimentelle fysiker Pengcheng Dai, der fandt det første bevis på, at ceriumzirconiumpyrochlor var en kvantespinvæske. Holdets prøver var de første af deres slags:Pyrochlorer på grund af deres 2-til-2-til-7 forhold mellem cerium, zirconium og oxygen, og enkeltkrystaller, fordi atomerne indeni var arrangeret i et kontinuerligt, ubrudt gitter. Uelastiske neutronspredningseksperimenter udført af Dai og kolleger afslørede et kendetegn for kvantespinvæske, et kontinuum af spin-excitationer målt ved temperaturer så lave som 35 millikelvin.

"Man kan argumentere for, at de fandt den mistænkte og sigtede ham for forbrydelsen," sagde Nevidomskyy. "Vores job i denne nye undersøgelse var at bevise over for juryen, at den mistænkte er skyldig."

Nevidomskyy og kolleger byggede deres sag ved hjælp af state-of-the-art Monte Carlo-metoder, nøjagtig diagonalisering samt analytiske værktøjer til at udføre spindynamikberegninger for en eksisterende kvantemekanisk model af ceriumzirconiumpyrochlor. Undersøgelsen blev udtænkt af Nevidomskyy og Max Plancks Roderich Moessner, og Monte Carlo-simuleringerne blev udført af Florida States Anish Bhardwaj og Hitesh Changlani med bidrag fra Rice's Han Yan og Max Plancks Shu Zhang.

"Rammen for denne teori var kendt, men de nøjagtige parametre, som der er mindst fire af, var ikke," sagde Nevidomskyy. "I forskellige forbindelser kan disse parametre have forskellige værdier. Vores mål var at finde disse værdier for ceriumpyrochlor og bestemme, om de beskriver en kvantespinvæske."

"Det ville være som en ballistisk ekspert, der bruger Newtons anden lov til at beregne en kugles bane," sagde han. "Newtons lov er kendt, men den har kun forudsigelseskraft, hvis du leverer de indledende betingelser som kuglens masse og begyndelseshastighed. Disse begyndelsesbetingelser er analoge med disse parametre. Vi var nødt til at omvendt konstruere, eller undersøge, 'Hvad er de initiale forhold inde i dette ceriummateriale?' og, 'Stemmer det overens med forudsigelsen af ​​denne kvantespinvæske?'"

For at bygge en overbevisende case testede forskerne modellen mod termodynamiske, neutronsprednings- og magnetiseringsresultater fra tidligere offentliggjorte eksperimentelle undersøgelser af ceriumzirconiumpyrochlor.

"Hvis du bare har et stykke bevis, kan du uforvarende finde flere modeller, der stadig passer til beskrivelsen," sagde Nevidomskyy. "Vi matchede faktisk ikke ét, men tre forskellige beviser. Så en enkelt kandidat skulle matche alle tre eksperimenter."

Nogle undersøgelser har impliceret den samme type kvantemagnetiske fluktuationer, der opstår i kvantespinvæsker, som en mulig årsag til ukonventionel superledning. Men Nevidomskyy sagde, at beregningsresultaterne primært er af fundamental interesse for fysikere.

"Dette tilfredsstiller vores medfødte ønske, som fysikere, om at finde ud af, hvordan naturen fungerer," sagde han. "Der er ingen applikation, jeg kender til, der kan gavne. Den er ikke umiddelbart bundet til kvanteberegning, selvom der findes ideer til at bruge fraktioneret excitationer som en platform for logiske qubits."

Han sagde, at et særligt interessant punkt for fysikere er den dybe forbindelse mellem kvantespinvæsker og den eksperimentelle realisering af magnetiske monopoler, teoretiske partikler, hvis potentielle eksistens stadig diskuteres af kosmologer og højenergifysikere.

"Når folk taler om fraktionering, mener de, at systemet opfører sig, som om en fysisk partikel, som en elektron, deler sig i to halvdele, der på en måde vandrer rundt og derefter rekombinerer et sted senere," sagde Nevidomskyy. "Og i pyrochlormagneter som den, vi studerede, opfører disse vandrende objekter sig desuden som kvantemagnetiske monopoler."

Magnetiske monopoler kan visualiseres som isolerede magnetiske poler som enten den opadgående eller nedadvendte pol af en enkelt elektron.

"Selvfølgelig kan man i klassisk fysik aldrig isolere kun den ene ende af en stangmagnet," sagde han. "Nord- og sydmonopolerne kommer altid i par. Men i kvantefysikken kan magnetiske monopoler hypotetisk eksistere, og kvanteteoretikere konstruerede disse for næsten 100 år siden for at udforske grundlæggende spørgsmål om kvantemekanik.

"Så vidt vi ved, eksisterer magnetiske monopoler ikke i en rå form i vores univers," sagde Nevidomskyy. "Men det viser sig, at der findes en fancy version af monopoler i disse cerium pyrochlore kvantespinvæsker. Et enkelt spin flip skaber to fraktionerede kvasipartikler kaldet spinoner, der opfører sig som monopoler og vandrer rundt i krystalgitteret."

Undersøgelsen fandt også bevis for, at monopol-lignende spinoner blev skabt på en usædvanlig måde i cerium zirconium pyrochlor. På grund af det tetraedriske arrangement af magnetiske atomer i pyrochloret antyder undersøgelsen, at de udvikler oktupolære magnetiske momenter - spin-lignende magnetiske kvasipartikler med otte poler - ved lave temperaturer. Forskningen viste, at spinoner i materialet blev produceret fra både disse oktupolære kilder og mere konventionelle, dipolære spin-momenter.

"Vores modellering etablerede de nøjagtige proportioner af interaktioner mellem disse to komponenter med hinanden," sagde Nevidomskyy. "Det åbner et nyt kapitel i den teoretiske forståelse af ikke kun ceriumpyrochlormaterialerne, men af ​​oktupolære kvantespinvæsker generelt." + Udforsk yderligere

Fysikere finder den første mulige 3-D kvantespinvæske