Спектральные доказательства существования спинонов Дирака в антиферромагнетике с решеткой кагоме
Новое исследование, опубликованное в недавнем выпуске журнала Nature Physics, проливает свет на долгожданное появление квазичастиц, родственных знаменитым частицам Дирака и подчиняющимся его релятивистскому уравнению. Предполагалось, что эти квазичастицы, известные как спиноны Дирака, существуют в новом квантовом состоянии, называемом состоянием квантовой спиновой жидкости. Предыдущие исследования намекали на потенциал материала YCu3-Br проявлять квантово-спиновое жидкое состояние. Чтобы обеспечить возможность наблюдения спинонов в YCu3, исследовательская группа преодолела множество проблем, собрав вместе около 5000 монокристаллов, что соответствует требованиям для проведения экспериментов с неупругим рассеянием нейтронов. Эксперимент показал конические структуры спинового континуума, напоминающие характерный конус Дирака.
(а) Принципиальная схема конических возбуждений спинонов Дирака и спектра конического континуума, образованного двумя спинонами.
(b) Принципиальная схема конических спиновых возбуждений в YCu 3 (OH) 6 Br 2 [Br 0,33 (OD) 0,67 ].
(c) Связь между полушириной на полувысоте и энергией. Сплошная линия представляет линейную подгонку.
(d) Увеличенное изображение некоторых совмещенных кристаллов и вид спереди совмещенных образцов на двух медных пластинах.
Фото: Физика природы (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02495-z
Открытие является результатом сотрудничества физиков-теоретиков доктора Чэнкан Чжоу и профессора Цзы Ян Мэн с факультета физики Гонконгского университета (HKU), а также экспериментаторов Чжэньюань Цзэн и профессора Шиляна Ли из Института физики (IOP), Китайской академии наук (CAS) и профессор Кенджи Накадзима из Центра J-PARC, Япония.
Квазичастицы — это интригующие сущности, возникающие в результате коллективного поведения внутри материалов, которые можно рассматривать как группу частиц. Ожидается, что спиноны Дирака, в частности, будут демонстрировать уникальные характеристики, подобные частицам Дирака в физике высоких энергий и электронам Дирака в графене и квантовых муаровых материалах, такие как линейное дисперсионное соотношение между энергией и импульсом. Но до этой работы такие нейтральные квазичастицы со спином ½ заряда в квантовых магнетиках не наблюдались.
«Найти спиноны Дирака в квантовых магнитах было мечтой поколений физиков конденсированного состояния; теперь, когда мы увидели доказательства этого, можно начать думать о бесчисленных потенциальных применениях такого сильно запутанного квантового материала.
«Кто знает, может быть, однажды люди создадут с его помощью квантовые компьютеры, так же как люди делали это последние полвека с кремнием», — сказал профессор Мэн, физик HKU и один из авторов статьи.
Исследование группы было сосредоточено на уникальном материале, известном как YCu 3 -Br, характеризующемся структурой решетки кагоме, приводящей к появлению этих неуловимых квазичастиц.
Предыдущие исследования намекали на потенциал этого материала проявлять квантово-спиновое жидкое состояние, что делает его идеальным кандидатом для исследования. Чтобы обеспечить возможность наблюдения спинонов в YCu 3 , исследовательская группа преодолела множество проблем, собрав вместе около 5000 монокристаллов, что соответствует требованиям для проведения таких экспериментов, как неупругое рассеяние нейтронов.
Используя эту передовую технику, команда исследовала спиновые возбуждения материала и наблюдала интригующие конические структуры спинового континуума, напоминающие характерный конус Дирака. Хотя прямое обнаружение одиночного спинона оказалось сложной задачей из-за экспериментальных ограничений, команда сравнила свои результаты с теоретическими предсказаниями, выявив различные спектральные особенности, указывающие на присутствие спинонов в материале.
Спиновые возбуждения в YCu 3 (OH) 6 Br 2 [Br 0,33 (OD) 0,67 ], измеренные методом рассеяния нейтронов. e,f, Контурные графики интенсивности результатов INS в зависимости от E и Q вдоль направления [H, 0] при 0,3 К (д) и 30 К (е).
Фото: Физика природы (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02495-z
Линейное предсказание спиновых волн на решетке кагоме:
a и b показывают спиновые спектры без добавления эффектов беспорядка.
c и d отображают спектры с теми же параметрами, но вводят неупорядоченные эффекты, чтобы соответствовать экспериментальным результатам.
d и е показаны спектры с разным видом беспорядка.
Фото: Физика природы (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02495-z
Поиск спектральных свидетельств спинонных возбуждений Дирака всегда был непростой задачей. Это открытие предоставляет убедительные доказательства существования состояния квантовой спиновой жидкости Дирака, что может быть сродни ясному крику, прорывающемуся сквозь туман спектральных исследований состояния квантовой спиновой жидкости.
Полученные результаты не только расширяют наше фундаментальное понимание физики конденсированного состояния, но и открывают двери для дальнейшего изучения свойств и применения YCu 3 .
Состояние квантовой спиновой жидкости, характеризующееся наличием дробных спинонных возбуждений, потенциально имеет отношение к высокотемпературной сверхпроводимости и квантовой информации. В этом состоянии спины сильно перепутаны и остаются неупорядоченными даже при низких температурах.
Следовательно, исследование спектральных сигналов, возникающих от спинонов, подчиняющихся уравнению Дирака, обеспечит более широкое понимание квантово-спинового жидкого состояния вещества. Такое понимание также служит ориентиром для его более широкого применения, включая исследование высокотемпературной сверхпроводимости и квантовой информации.
