נוזלי ספין קוונטיים הם מערכות קוונטיות מרתקות שמשכו לאחרונה תשומת לב מחקרית משמעותית. מערכות אלו מאופיינות בתחרות חזקה בין אינטראקציות, המונעת הקמת סדר מגנטי ארוך טווח, כמו זה הנצפה במגנטים קונבנציונליים, כאשר כל הספינים מתיישרים באותו כיוון כדי לייצר שדה מגנטי נטו.
חוקרים מאוניברסיטת טורונטו הציגו לאחרונה מסגרת שיכולה להקל על תצפית ניסויית של נוזל ספין קוונטי תלת מימדי חדש המכונה π-flux octupolar spin ice π-O-QSI. המאמר שלהם, שפורסם ב מכתבי סקירה פיזית, מנבא את החתימות הספקטרוסקופיות הייחודיות של מערכת זו, שניתן למדוד בניסויים עתידיים.
"מעניין, נוזלי ספין קוונטיים יכולים לארח עירורים מפוצלים", אמר פליקס דזרוקרס, מחבר שותף של המאמר, ל-Phys.org. "כלומר, נראה שהאלקטרונים בחומרים אלה מתפרקים למספר רכיבים. לדוגמה, בעוד אלקטרונים נושאים גם ספין וגם מטען, הקוואזי-חלקיק המתהווה יכול לשאת ספין אך ללא מטען.
"התעוררויות אלו אינן נובעות מפיצול האלקטרונים למספר חתיכות, אלא הן תוצאה של צורה מאוד לא טריוויאלית של תנועה קולקטיבית הנגרמת על ידי האינטראקציות החזקות ביניהם."
פיזיקאים חיפשו דוגמאות ברורות למצב הספין הקוונטי במשך עשרות שנים. אף על פי כן, ההתקדמות בתחום המחקר הזה הייתה איטית עד כה, בשל שני גורמים עיקריים.
ראשית, תכנון מודלים תיאורטיים המתארים באופן מציאותי מצבי קרקע נוזלי ספין ואשר ניתן להשתמש בהם כדי לגזור תחזיות מדויקות הוכיח את עצמו כמאתגר. שנית, איתור ואפיון המאפיינים הפיזיקליים של מערכות אלו בחומרים אמיתיים התגלו גם הם כקשים.
"קרח ספין קוונטי (QSI) הוא דוגמה נדירה למודל עם מצב טחון נוזלי ספין קוונטי מובן היטב וניתן למצוא אותו גם בחומר אמיתי (כמו משפחת הפירוכלורים של כדור הארץ הנדירים)", הסביר Desrochers.
"QSI הוא יוצא דופן מכיוון שהוא מבין את המקבילה לסריג של אלקטרודינמיקה קוונטית: הוא מארח מצבים דמויי פוטון מתעוררים (כלומר, עירורים הדומים לחלקיקי אור), חלקיקים אנלוגיים למטענים אלקטרוסטטיים עם אינטראקציה הדדית של קולומב המכונה ספינונים ואפילו מונופולים מגנטיים."
בהתבסס על תחזיות תיאורטיות, האלקטרודינמיקה הקוונטית המופיעה ב-QSI שונה באופן משמעותי מאלקטרודינמיקה קונבנציונלית. לדוגמה, מהירותו של מה שנקרא "אור עולה" צריכה להיות בסדר גודל של 1 m/s, בניגוד ל-3×108 m/s של אור שאנו פוגשים בחיי היומיום.
"ניסויים אחרונים על Ce2Zr2O7, סי2Sn2O7 ו-Ce2Hf2O7 היו מרגשים ביותר", אמר Desrochers. "החומרים אינם מראים שום סימן להזמנה עד לטמפרטורה הנגישה הנמוכה ביותר.
"ניתוחים נוספים קבעו את הפרמטרים המיקרוסקופיים המתארים את התנהגותו. הם מצאו שהמערכת נמצאת באזור של מרחב פרמטרים שמוצע באופן תיאורטי לארח טעם ספציפי של QSI המכונה π-flux ספין קרח קוונטי (π-QSI).
בעוד שמחקרים עדכניים אספו ממצאים מעודדים, זיהוי מהימן של נוזלי ספין קוונטיים הוא משימה מורכבת ביותר, שכן אפילו הפרעה חלשה עלולה לשבש מצבים אלו. כדי לזהות מצבים אלה באופן חד משמעי, החוקרים צריכים תחילה לזהות חתימות ייחודיות הספציפיות לנוזל ספין קוונטי, שנשארות יציבות.
"לפני העבודה שלנו, לא הייתה הצעה ברורה לחתימת רובה עישון של דינמיקת הספין ב-π-flux QSI", הסביר Desrochers. "העבודה שלנו נועדה אפוא להדגיש חתימות פוטנציאליות שונות שיכולות לעזור לזהות אם π-flux QSI מתממש ב-Ce2Zr2O7 ותרכובות דומות אחרות. התמקדנו במיוחד בחתימות שניתן למדוד עם מנגנון ניסוי זמין כרגע".
כחלק ממחקרם, Desrochers והדוקטורט שלו. המפקח יונג באק קים יצא לחזות את החתימות הספקטרוסקופיות הייחודיות של מצב π-שטף QSI באמצעות מסגרת תיאורטית שהוצגה על ידי Lucile Savary ו-Leon Balents ב-2012, המכונה תיאוריית השדה הממוצע (GMFT). מסגרת זו בעצם משכתבת את אופרטורי הספין הראשוניים בהתבסס על העירורים המתעוררים הקיימים בקרח ספין קוונטי, כלומר פוטונים וספינונים.
"מסגרת זו כבר שימשה ללימוד π-flux QSI בכמה מהעבודות המוקדמות ביותר המשתמשות ב-GMFT," אמר Desrochers. "לפיכך הרחבנו על העבודה הזו במטרה ליצור תחזיות בעלות משמעות ניסיונית. כדי להבטיח שהתחזיות שלנו אמינות, ערכנו גם השוואות מקיפות עם תוצאות מספריות קודמות מהקבוצה שלנו ומהספרות".
מחקר אחרון זה של Desrochers וקים מציע חיזוי משמעותי של החתימות הספקטרוסקופיות הייחודיות של מצב נוזל הספין π-flux QSI. חתימות אלה יכולות להנחות מחקרים ניסיוניים עתידיים, לעזור לפיזיקאים לאשר את נוכחותו של מצב אקזוטי זה.
"הדגשנו ש-π-flux QSI צריך לייצר שלושה שיאים של ירידה בעוצמה בפיזור נויטרונים לא אלסטי", אמר Desrochers. "זו חתימה ייחודית וייחודית. אם יימדדו, שלושת הפסגות הללו יספקו ראיות משכנעות למימוש הניסוי של ה-QSL התלת מימדי הזה."
Desrochers וקים מקווים שהתחזיות שלהם יסייעו לחוקרים לקבוע מה הם צריכים לצפות למדוד כאשר הם נתקלים במצב החמקמק של π-flux QSI. יש לציין כי החתימות הספקטרוסקופיות שהם זיהו צריכות להיות ניתנות לזיהוי ברזולוציות ניסוי הקיימות כיום, ולכן ניתן יהיה לצפות בהן בקרוב.
בינתיים, החוקרים מתכננים להתבסס על המחקר האחרון שלהם כדי לאסוף תחזיות מפורטות יותר ויותר. לדוגמה, הם היו רוצים ללמוד כיצד הפסגות שהם חזו יתפתחו בטמפרטורות שונות ולהעריך באילו טמפרטורות הם נעלמים.
"הפיתוחים העתידיים המרגשים ביותר יגיעו בוודאי מהצד הניסיוני", הוסיף Desrochers. "אישור על נוכחות הפסגות הללו יציע עדות משכנעת ביותר למימוש המצב החדש המבוקש הזה של החומר. יש כבר כמה סימנים מעודדים: עבודה אחרונה על Ce2Sn2O7 דיווחו על מדידות שמראות סימנים של שלושה שיאים של ירידה בעוצמה."