Computerspionage bestätigt erste 3D-Quantenspinflüssigkeit

Eine dreidimensionale Darstellung des Spinanregungskontinuums – ein potenzielles Kennzeichen einer Quantenspinflüssigkeit – wurde 2019 in einer Einkristallprobe aus Zirkoniumperchlorid beobachtet. Bildnachweis: Tong Chen/Rice University

Computergestützte Untersuchungen amerikanischer und deutscher Physiker haben bestätigt, dass Cer-Zirkonium-Perchlorid eine dreidimensionale Quanten-Spin-Flüssigkeit ist.

Trotz des Namens sind Quantenspinflüssigkeiten Festkörper, in denen die Quantenverschränkung und die geometrische Anordnung der Atome der natürlichen Tendenz der Elektronen entgegenwirken, sich magnetisch zueinander anzuordnen. Die geometrische Frustration in einer Quantenspinflüssigkeit ist so stark, dass Elektronen zwischen quantenmagnetischen Zuständen oszillieren, egal wie kalt sie sind.

Theoretische Physiker arbeiten routinemäßig mit quantenmechanischen Modellen, die Quantenspinflüssigkeiten zeigen, aber überzeugende Beweise für ihre Existenz in tatsächlichen physikalischen Materialien zu finden, war eine jahrzehntelange Herausforderung. Während eine Reihe von 2D- oder 3D-Materialien als Spin-Quantenflüssigkeiten vorgeschlagen wurden, sagte der Physiker Andrey Nevidumsky von der Rice University, dass es unter den Physikern keinen festen Konsens darüber gibt, dass sich eines von ihnen eignet.

Nevedomsky hofft, dass sich das ändern wird, basierend auf Computerspionage von ihm und Kollegen von Rice, der Florida State University und dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden, Deutschland, die diesen Monat in der Zeitschrift Open Access veröffentlicht wurde. npj-Quantenmaterialien.

„Basierend auf allen Beweisen, die wir heute haben, bestätigt diese Arbeit, dass die Einkristalle aus Perchlorium-Cer, die 2019 als Kandidaten für 3D-Quanten-Spin-Flüssigkeiten identifiziert wurden, tatsächlich Quanten-Spin-Flüssigkeiten mit spinfragmentierter Anregung sind“, sagte er.

Die Eigenschaft von Elektronen, die zu Magnetismus führt, ist Spin. Jedes Elektron verhält sich wie ein kleiner magnetischer Stab mit Nord- und Südpol, und einzelne Elektronenspins zeigen bei der Messung immer nach oben oder unten. Bei den meisten Materialien, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, zeigen die Spindeln zufällig nach oben oder unten. Aber Elektronen sind von Natur aus asozial, und das kann unter Umständen dazu führen, dass sie ihren Spin in Bezug auf ihre Nachbarn anordnen. Bei Magneten zum Beispiel sind die Spins gemeinsam in derselben Richtung angeordnet, und bei Antimagneten sind sie in einem Muster von oben nach unten und von oben nach unten angeordnet.

Bei sehr niedrigen Temperaturen werden Quanteneffekte stärker ausgeprägt, was dazu führt, dass Elektronen ihre Spins in den meisten Materialien kollektiv anordnen, selbst in solchen, in denen die Spins bei Raumtemperatur in zufällige Richtungen zeigen. Quanten-Spin-Flüssigkeiten sind ein Gegenbeispiel, bei dem die Spins nicht in eine bestimmte Richtung zeigen – auch nicht nach oben oder unten – egal wie kalt das Material ist.

„Eine Spinquantenflüssigkeit ist von Natur aus ein Beispiel für einen fragmentierten Materiezustand“, sagte Nevidumsky, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie und Mitglied sowohl der Rice Quantum Initiative als auch des Rice Center for Quantum Materials (RCQM). . . „Einfache Erregung ist kein Spin-Swing von oben nach unten oder umgekehrt. Es sind diese seltsamen, nicht positionsabhängigen Dinge, die einen halben Grad Rotation von einem Freiheitsgrad enthalten. Es ist wie eine halbe Umdrehung.“

Nevidumsky war Teil einer Studie aus dem Jahr 2019 unter der Leitung des Experimentalphysikers Rice Pengcheng Dai, die den ersten Beweis dafür fand, dass Cerzirkoniumperchlorid eine Quantenflüssigkeit war. Die Proben des Teams waren die ersten ihrer Art: Pyrochlore aufgrund eines Verhältnisses von Cer, Zirkonium und Sauerstoff von 2 zu 2 zu 7 und Einkristalle, weil die Atome im Inneren in einem kontinuierlichen, ununterbrochenen Gitter angeordnet waren. Die inelastischen Neutronenstreuexperimente von Dai und Kollegen zeigten ein charakteristisches Merkmal der Quanten-Spin-Flüssigkeit, ein Spin-Anregungs-Kontinuum, das bei Temperaturen von nur 35 MilliK gemessen wurde.

„Sie können argumentieren, dass sie den Verdächtigen gefunden und ihn beschuldigt haben, das Verbrechen begangen zu haben“, sagte Nevedomsky. Unsere Aufgabe in dieser neuen Studie war es, der Jury die Schuld des Verdächtigen zu beweisen.

Nevidumsky und Kollegen bauten ihren Fall unter Verwendung modernster Monte-Carlo-Methoden, Mikrodestillation sowie analytischer Werkzeuge, um Spindynamik-Berechnungen eines bestehenden quantenmechanischen Modells von Cerzirkoniumperchlorid durchzuführen. Die Studie wurde von Nevidumsky und Rodrich Mosner von Max Planck entworfen, und Monte-Carlo-Simulationen wurden von Anish Bhardwaj und Hitch Changlani vom Staat Florida durchgeführt, mit Beiträgen von Rice Han Yan und Xu Zhang von Max Planck.

“Der Rahmen für diese Theorie war bekannt, aber die genauen Parameter, von denen es mindestens vier gibt, waren nicht bekannt”, sagte Nevedomsky. „In verschiedenen Verbindungen können diese Parameter unterschiedliche Werte haben. Unser Ziel war es, diese Werte für Cerperchlorid zu finden und festzustellen, ob sie die Quantenspinflüssigkeit beschreiben.“

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Amerikanische und deutsche Physiker haben Beweise dafür gefunden, dass Kristalle aus Cer-Zirkonium-Perchlorid “oktapolare Quantenspinflüssigkeiten” sind, in denen die oktapolaren magnetischen Momente (rot und blau) zum segmentierten Magnetismus beitragen. Bildnachweis: A. Nevidomskyy / Rice University

„Das wäre wie ein Ballistikexperte, der Newtons zweites Gesetz verwendet, um die Flugbahn einer Kugel zu berechnen“, sagte er. „Das Newtonsche Gesetz ist bekannt, aber es hat nur dann Vorhersagekraft, wenn es die Anfangsbedingungen wie die Masse des Geschosses und die Anfangsgeschwindigkeit liefert. Diese Anfangsbedingungen sind identisch mit diesen Parametern. Wir mussten zurückentwickeln oder nach Spionage suchen, „Was sind diese Anfangsbedingungen in diesem Cermaterial? und “Passt das zu dieser Quanten-Spin-Fluid-Vorhersage?”

Um überzeugende Argumente zu liefern, testeten die Forscher das Modell anhand von Ergebnissen aus Thermodynamik, Neutronenstreuung und Magnetismus aus zuvor veröffentlichten experimentellen Studien zu Cerzirkoniumperchlorid.

„Wenn Sie nur einen Hinweis haben, finden Sie möglicherweise versehentlich mehrere Modelle, die immer noch auf die Beschreibung passen“, sagte Nevedomsky. „Wir haben eigentlich nicht einen Guide, sondern drei verschiedene Guides abgeglichen. Daher musste ein Kandidat alle drei Studien abgleichen.“

Einige Studien haben auf die gleiche Art von magnetischen Quantenfluktuationen hingewiesen, die in Quantenspinflüssigkeiten als mögliche Ursache für unkonventionelle Supraleitung auftreten. Aber Nevidumsky sagte, die Berechnungsergebnisse seien grundsätzlich von grundlegendem Interesse für Physiker.

“Dies befriedigt unseren angeborenen Wunsch als Physiker, zu lernen, wie die Natur funktioniert”, sagte er. „Es gibt keine Anwendung, von der ich weiß, dass sie nützlich wäre. Sie hat nicht unmittelbar mit Quantencomputern zu tun, obwohl es Ideen gibt, segmentierte Anregungen als Plattform für logische Qubits zu verwenden.“

Ein Punkt von besonderem Interesse für Physiker sei die tiefe Verbindung zwischen Quantenspinflüssigkeiten und der experimentellen Realisierung magnetischer Monopole, theoretischer Teilchen, deren mögliche Existenz immer noch von Kosmologen und Hochenergiephysikern diskutiert wird.

„Wenn die Leute von Fragmentierung sprechen, meinen sie damit, dass sich das System so verhält, als würde sich ein physikalisches Teilchen, wie ein Elektron, in zwei Hälften teilen, um sie herumgehen und sich dann irgendwo später zusammenfügen“, sagte Nevedomsky. „Und in Perchlorat-Magneten wie dem, den wir untersucht haben, verhalten sich diese wandernden Objekte auch wie quantenmagnetische Monopole.“

Magnetische Monopole können als isolierte Magnetpole wie der nach oben oder unten gerichtete Pol eines einzelnen Elektrons visualisiert werden.

Natürlich, sagte er, könne man in der klassischen Physik nicht nur ein Ende eines Stabmagneten isolieren. “Nord- und Südmonopole kommen immer paarweise vor. Aber in der Quantenphysik können magnetische Monopole virtuell existieren, und Quantentheoretiker haben diese vor fast 100 Jahren geschaffen, um grundlegende Fragen der Quantenmechanik zu untersuchen.

„Soweit wir wissen, gibt es in unserem Universum keine magnetischen Monopole in roher Form“, sagte Nevedomsky. „Aber es stellt sich heraus, dass in diesen Quanten-Perchlor-Cer-Flüssigkeiten bereits eine fiktive Version eines Monopols vorhanden ist. Ein einzelner Spinkern erzeugt zwei fragmentierte Teilchen, sogenannte Spinons, die sich wie Monopole verhalten und um das Kristallgitter wandern.“

Die Studie fand auch Hinweise darauf, dass monopolare Spinone auf ungewöhnliche Weise in Zirkonium-Cer-Perchlorid erzeugt wurden. Aufgrund der tetraedrischen Anordnung der magnetischen Atome in Pyrochlor legt die Studie nahe, dass es bei niedrigeren Temperaturen oktaedrische magnetische Momente – Spin-ähnliche magnetische Quasiteilchen mit acht Polen – entwickelt. Die Forschung zeigte, dass die Spins im Material von diesen zwei achtpoligen Quellen und konventionellen Dipol-Spinmomenten erzeugt wurden.

“Unsere Modellierung hat die genauen Anteile der Wechselwirkungen dieser beiden Komponenten untereinander bestimmt”, sagte Nevedomsky. “Es eröffnet ein neues Kapitel im theoretischen Verständnis nicht nur von Cerperchlorid-Materialien, sondern von oktapolaren Spin-Quanten-Flüssigkeiten im Allgemeinen.”


Physiker haben die erste mögliche 3D-Quantenspinflüssigkeit gefunden


Mehr Informationen:
Anish Bhardwaj et al., Eliminieren Sie die eigentümliche Quantenspinfluidität in einem Perchlorat-Ce2Zr2O7-Magneten, npj-Quantenmaterialien (2022). DOI: 10.1038 / s41535-022-00458-2

Präsentiert von der Rice University

das Zitat: Computerspionage bestätigt erste 3D-Quantenspinflüssigkeit (2022, 10. Mai) Abgerufen am 11. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-sleuthing-3d-quantum-l Liquid.html

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