Quantenspinflüssigkeiten sind faszinierende Quantensysteme, die in letzter Zeit große Forschungsaufmerksamkeit auf sich gezogen haben. Diese Systeme zeichnen sich durch eine starke Konkurrenz zwischen Wechselwirkungen aus, die die Bildung einer weitreichenden magnetischen Ordnung verhindert, wie sie bei herkömmlichen Magneten beobachtet wird, bei denen sich alle Spins in die gleiche Richtung ausrichten, um ein Nettomagnetfeld zu erzeugen.
Forscher der University of Toronto haben kürzlich ein Framework vorgestellt, das die experimentelle Beobachtung einer neuen 3D-Quantenspinflüssigkeit namens π-flux octupolar Quantum Spin Ice (π-O-QSI) erleichtern könnte. Ihr Artikel, veröffentlicht in Physical Review Letterssagt die charakteristischen spektroskopischen Signaturen dieses Systems voraus, die in zukünftigen Experimenten gemessen werden könnten.
„Interessanterweise können Quantenspinflüssigkeiten fraktionierte Anregungen beherbergen“, sagte Félix Desrochers, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Die Elektronen in diesen Materialien scheinen nämlich in mehrere Komponenten aufzuspalten. Während beispielsweise Elektronen sowohl Spin als auch Ladung tragen, kann das entstehende Quasiteilchen Spin, aber keine Ladung tragen.
„Diese Anregungen entstehen nicht durch die Fragmentierung der Elektronen in mehrere Teile, sondern sind das Ergebnis einer höchst nichttrivialen Form kollektiver Bewegung, die durch ihre starken Wechselwirkungen hervorgerufen wird.“
Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach eindeutigen Beispielen für den Quantenspin-Flüssigkeitszustand. Dennoch sind die Fortschritte in diesem Forschungsbereich bislang langsam, was auf zwei Hauptfaktoren zurückzuführen ist.
Erstens hat sich die Entwicklung theoretischer Modelle, die die Grundzustände von Spinflüssigkeiten realistisch beschreiben und zur Ableitung genauer Vorhersagen verwendet werden können, als schwierig erwiesen. Zweitens erwies es sich auch als schwierig, die physikalischen Eigenschaften dieser Systeme in realen Materialien zu erkennen und zu charakterisieren.
„Quantum Spin Ice (QSI) ist ein seltenes Beispiel für ein Modell mit einem gut verstandenen flüssigen Quantenspin-Grundzustand und kann auch in einem realen Material (wie der Familie der Seltenerd-Pyrochlore) gefunden werden“, erklärte Desrochers.
„QSI ist außergewöhnlich, da es das Gitteräquivalent der Quantenelektrodynamik verwirklicht: Es beherbergt entstehende photonenähnliche Moden (d. h. Anregungen, die Lichtteilchen ähneln), Teilchen, die elektrostatischen Ladungen mit gegenseitiger Coulomb-Wechselwirkung ähneln, die als Spinonen bekannt sind, und sogar magnetische Monopole.“
Basierend auf theoretischen Vorhersagen unterscheidet sich die in QSI entstehende Quantenelektrodynamik erheblich von der konventionellen Elektrodynamik. Beispielsweise sollte die Geschwindigkeit des sogenannten „emergenten Lichts“ in der Größenordnung von 1 m/s liegen, im Gegensatz zu 3×108 m/s Licht, die uns im Alltag begegnen.
„Neueste Experimente mit Ce2Zr2O7, Was zum2Sn2O7 und Ce2Hf2O7 waren äußerst aufregend“, sagte Desrochers. „Die Materialien zeigen bis zur niedrigsten erreichbaren Temperatur keinerlei Anzeichen einer Ordnung.
„Weitere Analysen ermittelten die mikroskopischen Parameter, die sein Verhalten beschreiben. Sie fanden heraus, dass sich das System in einer Region des Parameterraums befindet, von der theoretisch angenommen wird, dass sie eine bestimmte Art von QSI beherbergt, die als π-Fluss-Quantenspin-Eis (π-QSI) bekannt ist.“
Während neuere Studien ermutigende Ergebnisse lieferten, ist die zuverlässige Identifizierung von Quantenspinflüssigkeiten eine äußerst komplexe Aufgabe, da selbst eine schwache Störung diese Zustände möglicherweise stören könnte. Um diese Zustände eindeutig zu erkennen, müssen Forscher zunächst charakteristische Signaturen identifizieren, die spezifisch für eine Quantenspinflüssigkeit sind und stabil bleiben.
„Vor unserer Arbeit gab es keinen klaren Vorschlag für eindeutige Signaturen der Spindynamik in der π-Fluss-QSI“, erklärte Desrochers. „Unsere Arbeit zielte daher darauf ab, potenzielle unterschiedliche Signaturen hervorzuheben, die dabei helfen könnten, herauszufinden, ob π-Fluss-QSI in Ce realisiert ist.“2Zr2O7 und andere ähnliche Verbindungen. Wir haben uns insbesondere auf Signaturen konzentriert, die mit derzeit verfügbaren experimentellen Geräten gemessen werden können.“
Im Rahmen ihrer Studie haben Desrochers und sein Ph.D. Betreuer Yong Baek Kim machte sich daran, die charakteristischen spektroskopischen Signaturen des π-Fluss-QSI-Zustands anhand eines theoretischen Rahmens vorherzusagen, der 2012 von Lucile Savary und Leon Balents eingeführt wurde und als Gauge Mean Field Theory (GMFT) bekannt ist. Dieses Framework schreibt die anfänglichen Spinoperatoren im Wesentlichen neu, basierend auf den im Quantenspineis vorhandenen auftretenden Anregungen, nämlich Photonen und Spinonen.
„Dieses Framework wurde bereits in einigen der frühesten Arbeiten unter Verwendung von GMFT zur Untersuchung von π-Fluss-QSI verwendet“, sagte Desrochers. „Wir haben diese Arbeit daher mit dem Ziel erweitert, experimentell aussagekräftige Vorhersagen zu treffen. Um sicherzustellen, dass unsere Vorhersagen zuverlässig sind, haben wir außerdem umfangreiche Vergleiche mit früheren numerischen Ergebnissen unserer Gruppe und der Literatur durchgeführt.“
Diese aktuelle Studie von Desrochers und Kim bietet eine aussagekräftige Vorhersage der charakteristischen spektroskopischen Signaturen des π-Fluss-QSI im Spinflüssigkeitszustand. Diese Signaturen könnten zukünftige experimentelle Studien leiten und den Physikern dabei helfen, das Vorhandensein dieses exotischen Zustands zu bestätigen.
„Wir haben hervorgehoben, dass π-Fluss-QSI drei Peaks mit abnehmender Intensität in der inelastischen Neutronenstreuung erzeugen sollte“, sagte Desrochers. „Das ist eine einzigartige und unverwechselbare Signatur. Wenn diese drei Peaks gemessen würden, würden sie überzeugende Beweise für die experimentelle Realisierung dieser dreidimensionalen QSL liefern.“
Desrochers und Kim hoffen, dass ihre Vorhersagen den Forschern helfen werden, zu bestimmen, was sie messen sollten, wenn sie auf den schwer fassbaren π-Fluss-QSI-Zustand stoßen. Insbesondere sollten die von ihnen identifizierten spektroskopischen Signaturen bei derzeit erreichbaren experimentellen Auflösungen nachweisbar sein und könnten daher möglicherweise bald beobachtet werden.
In der Zwischenzeit planen die Forscher, auf ihrer jüngsten Studie aufzubauen, um immer detailliertere Vorhersagen zu treffen. Sie möchten beispielsweise untersuchen, wie sich die von ihnen vorhergesagten Spitzen bei verschiedenen Temperaturen entwickeln würden, und abschätzen, bei welchen Temperaturen sie verschwinden.
„Die aufregendsten zukünftigen Entwicklungen werden sicherlich von der experimentellen Seite kommen“, fügte Desrochers hinzu. „Die Bestätigung des Vorhandenseins dieser Gipfel würde einen äußerst überzeugenden Beweis für die Verwirklichung dieses lange gesuchten neuen Zustands der Materie liefern.“ Es gibt bereits einige ermutigende Anzeichen: Aktuelle Arbeiten zu Ce2Sn2O7 berichteten über Messungen, die Anzeichen von drei Peaks mit abnehmender Intensität zeigten.“