Подтверждено, что пирохлор церия-циркония представляет собой трехмерную квантовую спиновую жидкость
Несмотря на название, квантовые спиновые жидкости представляют собой твердые материалы, в которых квантовая запутанность и геометрическое расположение атомов нарушают естественную тенденцию электронов магнитно упорядочивать себя по отношению друг к другу. Геометрическая фрустрация в квантовой спиновой жидкости настолько серьезна, что электроны колеблются между квантово-магнитными состояниями независимо от того, насколько холодными они становятся.
Трехмерное представление континуума спинового возбуждения - возможного признака квантовой спиновой жидкости - наблюдалось в 2019 году в монокристаллическом образце пирохлора церия-циркония. Предоставлено: Тонг Чен/Университет Райса.
Физики-теоретики обычно работают с квантово-механическими моделями, демонстрирующими 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 был предложен в качестве возможных квантовых спиновых жидкостей, физик из Университета Райса Андрей Невидомский сказал, что среди физиков нет единого мнения относительно того, подходит ли какой-либо из них.
Невидомский надеется, что это изменится на основе компьютерных исследований, проведенных им и его коллегами из Райса, Университета штата Флорида и Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене, Германия, опубликованных в этом месяце в журнале с открытым доступом npj Quantum Materials.
«Основываясь на всех доказательствах, которые у нас есть сегодня, эта работа подтверждает, что монокристаллы пирохлора церия, идентифицированные в 2019 году как кандидаты на трехмерные квантовые спиновые жидкости, действительно являются квантовыми 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 указывают вверх или вниз. В большинстве повседневных материалов спины указывают вверх или вниз случайным образом. Но электроны антисоциальны по своей природе, и это может привести к тому, что при некоторых обстоятельствах они будут располагать свои спины по отношению к своим соседям. В магнитах, например, спины коллективно расположены в одном и том же 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 группировать свои спины в большинстве материалов, даже в тех, где спины были бы направлены в случайных направлениях при комнатной температуре. Противоположный пример — квантовые спиновые жидкости, в которых 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, член Квантовой инициативы Райса и Центра квантовых материалов Райса (RCQM). «Индивидуальные возбуждения — это не перевороты спина сверху вниз или наоборот. Это причудливые, делокализованные объекты, несущие половину одной спиновой степени свободы. Это как половина спина».
Невидомский участвовал в исследовании 2019 года под руководством физика-экспериментатора Райса Пэнченга Дая, которое обнаружило первые доказательства того, что пирохлор церия-циркония является квантовой спиновой 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 по неупругому рассеянию нейтронов, проведенные Даем и его коллегами, выявили отличительную черту квантовой спиновой жидкости — континуум спиновых возбуждений, измеренный при температурах до 35 милликельвинов.
«Можно утверждать, что они нашли подозреваемого и предъявили ему обвинение», — сказал Невидомский. «Наша работа 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 методом Монте-Карло было выполнено Анишем Бхардваджем из штата Флорида и Хитешем Чанглани из штата Флорида при участии Хан Яна из Райс и Шу Чжана из Макса Планка.
«Основы этой теории были известны, но точных параметров, которых как минимум четыре, не было», — сказал Невидомский. «В разных соединениях эти параметры могут иметь разные значения. Наша цель состояла в том, чтобы найти эти значения для пирохлора церия и определить, описывают ли они квантовую спиновую жидкость».
Американские и немецкие физики обнаружили доказательства того, что кристаллы церий-циркониевого пирохлора представляют собой «октуполярные квантовые спиновые жидкости», в которых октуполярные магнитные моменты (красный и синий) способствуют фракционированному магнетизму. Предоставлено: А. Невидомский/Университет Райса.
«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 вы предоставляете начальные условия, такие как масса пули и начальная скорость. Эти начальные условия аналогичны этим параметрам условия внутри этого цериевого материала и «Соответствует ли это предсказанию этой квантовой спиновой жидкости?»
Чтобы создать убедительный довод, исследователи проверили модель на термодинамическом, рассеянии нейтронов и результатах намагничивания из ранее опубликованных экспериментальных исследований пирохлора церия-циркония.
«Если у вас есть только одно доказательство, вы можете непреднамеренно найти несколько моделей, которые все еще соответствуют описанию», — сказал Невидомский. «На самом деле мы сопоставили не одно, а три разных доказательства. Таким образом, один кандидат должен был соответствовать всем трем экспериментам».
Некоторые исследования предполагают тот же тип квантовых магнитных флуктуаций, которые возникают в квантовых спиновых жидкостях, как возможную причину нетрадиционной сверхпроводимости. Но Невидомский сказал, что результаты вычислений в первую очередь представляют фундаментальный интерес для физиков.
«Это удовлетворяет наше врожденное желание физиков выяснить, как работает природа», — сказал он. «Я не знаю ни одного приложения, которое могло бы принести пользу. Оно не связано непосредственно с квантовыми вычислениями, хотя существуют идеи использования фракционированных возбуждений в качестве платформы для логических кубитов».
Он сказал, что одним особенно интересным моментом для физиков является глубокая связь между квантовыми спиновыми жидкостями и экспериментальной реализацией магнитных монополей, теоретических частиц, потенциальное существование которых до сих пор обсуждается космологами и физиками высоких энергий.
«Когда люди говорят о фракционировании, они имеют в виду, что система ведет себя так, как если бы физическая частица, такая как электрон, разделялась на две половинки, которые как бы блуждали, а затем где-то потом рекомбинировались», — сказал Невидомский. «И в пирохлоровых магнитах, таких как тот, который мы изучали, эти блуждающие объекты, кроме того, ведут себя как квантовые магнитные монополи».
Магнитные монополи можно представить как изолированные магнитные полюса, такие как направленный вверх или вниз полюс одного электрона.
«Конечно, в классической физике никогда нельзя изолировать только один конец стержневого магнита», — сказал он. «Северный и южный монополи всегда идут парами. Но в квантовой физике магнитные монополи могут гипотетически существовать, и квантовые теоретики построили их почти 100 лет назад, чтобы исследовать фундаментальные вопросы квантовой механики.
«Насколько нам известно, магнитные монополи не существуют в необработанном виде в нашей Вселенной», — сказал Невидомский. «Но оказывается, что причудливая версия монополей действительно существует в этих квантовых спиновых жидкостях пирохлора церия. Один переворот спина создает две фракционированные квазичастицы, называемые спинонами, которые ведут себя как монополи и блуждают по кристаллической решетке».
Исследование также обнаружило доказательства того, что монопольные спиноны были созданы необычным образом в церий-циркониевом пирохлоре. Исследование предполагает, что из-за тетраэдрического расположения магнитных атомов в пирохлоре они развивают октуполярные магнитные моменты — спиноподобные магнитные квазичастицы с восемью полюсами — при низких температурах. Исследование показало, что спиноны в материале были получены как из этих октуполярных источников, так и из более традиционных диполярных спиновых моментов.
«Наше моделирование установило точные пропорции взаимодействия этих двух компонентов друг с другом», — сказал Невидомский. «Это открывает новую главу в теоретическом понимании не только материалов пирохлора церия, но и октуполярных квантовых спиновых жидкостей в целом».
