Cairan spin kuantum adalah sistem kuantum menarik yang baru-baru ini menarik perhatian penelitian yang signifikan. Sistem ini dicirikan oleh persaingan yang kuat antar interaksi, yang mencegah pembentukan tatanan magnet jangka panjang, seperti yang diamati pada magnet konvensional, di mana semua putaran sejajar dalam arah yang sama untuk menghasilkan medan magnet bersih.
Para peneliti di Universitas Toronto baru-baru ini memperkenalkan kerangka kerja yang dapat memfasilitasi pengamatan eksperimental cairan spin kuantum 3D baru yang dikenal sebagai π-flux octupolar quantum spin ice (π-O-QSI). Makalah mereka, diterbitkan di Physical Review Letters, memprediksi ciri spektroskopi khas sistem ini, yang dapat diukur dalam eksperimen masa depan.
“Menariknya, cairan spin kuantum dapat menampung eksitasi terfraksinasi,” Félix Desrochers, salah satu penulis makalah tersebut, mengatakan kepada Phys.org. “Yaitu, elektron dalam material ini tampak terdisosiasi menjadi beberapa komponen. Misalnya, meskipun elektron membawa spin dan muatan, kuasipartikel yang muncul dapat membawa spin tetapi tidak bermuatan.
“Eksitasi ini tidak muncul dari fragmentasi elektron menjadi beberapa bagian, namun merupakan hasil dari bentuk gerakan kolektif yang sangat nontrivial yang disebabkan oleh interaksi kuatnya.”
Fisikawan telah mencari contoh yang jelas tentang keadaan cairan spin kuantum selama beberapa dekade. Meskipun demikian, kemajuan dalam bidang penelitian ini sejauh ini berjalan lambat, hal ini disebabkan oleh dua faktor utama.
Pertama, merancang model teoretis yang secara realistis menggambarkan keadaan dasar cairan spin dan dapat digunakan untuk mendapatkan prediksi yang akurat terbukti menantang. Kedua, mendeteksi dan mengkarakterisasi sifat fisik sistem ini pada material nyata juga terbukti sulit.
“Es spin kuantum (QSI) adalah contoh langka dari model dengan keadaan dasar cair spin kuantum yang dipahami dengan baik dan juga dapat ditemukan dalam material nyata (seperti keluarga piroklor tanah jarang),” jelas Desrochers.
“QSI luar biasa karena menyadari persamaan kisi elektrodinamika kuantum: ia menampung mode mirip foton yang muncul (yaitu, eksitasi yang mirip dengan partikel cahaya), partikel yang analog dengan muatan elektrostatis dengan interaksi timbal balik Coulomb yang dikenal sebagai spinon, dan bahkan monopole magnet.”
Berdasarkan prediksi teoretis, elektrodinamika kuantum yang muncul di QSI berbeda secara signifikan dengan elektrodinamika konvensional. Misalnya, kecepatan yang disebut “cahaya muncul” harus berada di urutan 1 m/s, dibandingkan dengan 3×108 m/s cahaya yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari.
“Eksperimen terbaru di Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 dan Ce2Hf2O7 sangat menarik,” kata Desrochers. “Bahan-bahan tersebut tidak menunjukkan tanda-tanda akan diturunkan ke suhu terendah yang dapat diakses.
“Analisis lebih lanjut menentukan parameter mikroskopis yang menggambarkan perilakunya. Mereka menemukan bahwa sistem berada di wilayah ruang parameter yang secara teoritis disarankan untuk menampung jenis QSI tertentu yang dikenal sebagai π-flux quantum spin ice (π-QSI).”
Meskipun penelitian terbaru mengumpulkan temuan-temuan yang menggembirakan, mengidentifikasi cairan spin kuantum secara andal adalah tugas yang sangat kompleks, karena bahkan kelainan yang lemah pun berpotensi mengganggu keadaan ini. Untuk mendeteksi keadaan ini dengan jelas, pertama-tama para peneliti perlu mengidentifikasi tanda-tanda khas yang spesifik untuk cairan spin kuantum, yang tetap stabil.
“Sebelum pekerjaan kami, tidak ada proposal yang jelas untuk menunjukkan ciri khas dinamika putaran di π-flux QSI,” jelas Desrochers. “Pekerjaan kami bertujuan untuk menyoroti potensi tanda tangan berbeda yang dapat membantu mengidentifikasi apakah π-flux QSI direalisasikan di Ce2Zr2O7 dan senyawa serupa lainnya. Kami secara khusus berfokus pada tanda tangan yang dapat diukur dengan peralatan eksperimental yang tersedia saat ini.”
Sebagai bagian dari studi mereka, Desrochers dan gelar Ph.D. supervisor Yong Baek Kim mulai memprediksi ciri spektroskopi khas keadaan π-flux QSI menggunakan kerangka teoritis yang diperkenalkan oleh Lucile Savary dan Leon Balents pada tahun 2012, yang dikenal sebagai gauge mean-field theory (GMFT). Kerangka kerja ini pada dasarnya menulis ulang operator putaran awal berdasarkan eksitasi yang muncul dalam putaran es kuantum, yaitu foton dan spinon.
“Kerangka kerja ini telah digunakan untuk mempelajari π-flux QSI dalam beberapa karya paling awal yang memanfaatkan GMFT,” kata Desrochers. “Oleh karena itu, kami memperluas pekerjaan ini dengan tujuan membuat prediksi yang bermakna secara eksperimental. Untuk memastikan prediksi kami dapat diandalkan, kami juga telah membuat perbandingan ekstensif dengan hasil numerik sebelumnya dari kelompok kami dan literatur.”
Studi terbaru yang dilakukan oleh Desrochers dan Kim menawarkan prediksi yang bermakna tentang ciri khas spektroskopi dari keadaan cair spin π-flux QSI. Tanda tangan ini dapat memandu studi eksperimental di masa depan, membantu fisikawan mengkonfirmasi keberadaan keadaan eksotik ini.
“Kami menyoroti bahwa fluks π QSI akan menghasilkan tiga puncak penurunan intensitas hamburan neutron inelastis,” kata Desrochers. “Ini merupakan ciri khas yang unik dan khas. Jika diukur, ketiga puncak ini akan memberikan bukti kuat untuk realisasi eksperimental QSL tiga dimensi ini.”
Desrochers dan Kim berharap prediksi mereka akan membantu para peneliti menentukan apa yang harus mereka ukur ketika menghadapi keadaan π-flux QSI yang sulit dipahami. Khususnya, ciri-ciri spektroskopi yang mereka identifikasi harus dapat dideteksi pada resolusi eksperimental yang dapat dicapai saat ini, sehingga berpotensi dapat segera diamati.
Sementara itu, para peneliti berencana untuk melanjutkan studi terbaru mereka untuk mengumpulkan prediksi yang semakin rinci. Misalnya, mereka ingin mempelajari bagaimana puncak-puncak yang mereka perkirakan akan berevolusi pada suhu yang berbeda-beda dan memperkirakan pada suhu berapa puncak-puncak tersebut menghilang.
“Perkembangan masa depan yang paling menarik pasti datang dari sisi eksperimental,” tambah Desrochers. “Konfirmasi keberadaan puncak-puncak ini akan memberikan bukti yang sangat persuasif tentang realisasi keadaan baru yang telah lama ditunggu-tunggu ini. Sudah ada beberapa tanda yang menggembirakan: penelitian terbaru tentang Ce2Sn2O7 pengukuran yang dilaporkan menunjukkan tanda-tanda tiga puncak penurunan intensitas.”