量子スピン液体は、最近大きな研究の注目を集めている魅力的な量子系です。これらのシステムは、相互作用間の強力な競合によって特徴付けられ、これにより、従来の磁石で観察されるような、すべてのスピンが同じ方向に沿って整列して正味の磁場を生成する長距離磁気秩序の確立が妨げられます。
トロント大学の研究者らは最近、π磁束八極子量子スピンアイス（π-O-QSI）として知られる新しい3D量子スピン液体の実験観察を容易にする枠組みを導入した。彼らの論文は、 Physical Review Lettersに、この系の特徴的な分光学的特徴を予測し、将来の実験で測定できる可能性があります。
「興味深いことに、量子スピン液体は分別励起をホストすることができます」と論文の共著者であるフェリックス・デロッシェ氏は Phys.org に語った。 「つまり、これらの物質中の電子は複数の成分に解離しているように見えます。たとえば、電子はスピンと電荷の両方を運びますが、出現した準粒子はスピンは持ちますが、電荷は持ちません。
「これらの励起は、電子がいくつかの部分に断片化することから生じるのではなく、電子の強い相互作用によって引き起こされる非常に重要な形態の集団運動の結果です。」
物理学者は数十年にわたり、量子スピン液体状態の明確な例を探してきました。それにもかかわらず、2 つの主な要因により、この分野の研究の進歩はこれまでのところ遅くなっています。
まず、スピン液体の基底状態を現実的に記述し、正確な予測を導き出すために使用できる理論モデルを考案することが困難であることが判明しました。第二に、実際の材料におけるこれらのシステムの物理的特性を検出して特徴付けることも困難であることが判明しました。
「量子スピンアイス（QSI）は、よく理解されている量子スピン液体基底状態をもつモデルの稀な例であり、実際の物質（希土類パイロクロア類など）にも存在する可能性があります」とデスロッシャー氏は説明した。
「QSI は、量子電気力学の格子等価性を実現するという点で並外れたものです。QSI は、光子のような創発モード (つまり、光の粒子に似た励起)、スピノンとして知られる相互クーロン相互作用を伴う静電荷に類似した粒子、さらには磁気単極子さえもホストします。」
理論的予測に基づくと、QSI で出現する量子電気力学は従来の電気力学とは大きく異なります。たとえば、いわゆる「創発光」の速度は、1×3 の速度とは対照的に、10 m/s 程度である必要があります。8 私たちが日常生活で遭遇する光のメートル/秒。
「Ceに関する最近の実験」2Zr2O7、 これ2Sn2O7 とCe2Hf2O7 非常にエキサイティングでした」とデロッシェ氏は語った。 「材料は、到達可能な最低温度まで低下する兆候を示しません。
「さらなる分析により、その挙動を説明する微視的なパラメータが特定されました。彼らは、このシステムが、理論的にはπ磁束量子スピンアイス（π-QSI）として知られるQSIの特定の性質をホストすると示唆されているパラメーター空間の領域にあることを発見しました。」
最近の研究では有望な発見が集まっていますが、量子スピン液体を確実に特定することは非常に複雑な作業であり、たとえ弱い無秩序であってもこれらの状態が破壊される可能性があるためです。これらの状態を明確に検出するには、研究者はまず、安定した状態を保つ量子スピン液体に特有の特徴的な特徴を特定する必要があります。
「私たちの研究が始まるまでは、π磁束 QSI におけるスピンダイナミクスの決定的な証拠となる明確な提案はありませんでした」と Desrochers 氏は説明しました。 「したがって、私たちの研究は、π磁束QSIがCeで実現されているかどうかを特定するのに役立つ可能性のある潜在的な明確な兆候を強調することを目的としていました」2Zr2O7 および他の同様の化合物。私たちは特に、現在利用可能な実験装置で測定できる兆候に焦点を当てました。」
研究の一環として、デロッシェと彼の博士号は、監督者の Yong Baek Kim 氏は、2012 年に Lucile Savary 氏と Leon Balents 氏によって導入されたゲージ平均場理論 (GMFT) として知られる理論的枠組みを使用して、π 磁束 QSI 状態の特徴的な分光的特徴の予測に着手しました。このフレームワークは基本的に、量子スピンアイスに存在する創発励起、つまり光子とスピノンに基づいて初期スピン演算子を書き換えます。
「このフレームワークは、GMFT を利用した初期の研究の一部で、π フラックス QSI を研究するためにすでに使用されていました」と Desrochers 氏は述べています。 「このようにして、私たちは実験的に意味のある予測を行うことを目的としてこの研究を拡張しました。私たちの予測が信頼できるものであることを確認するために、私たちのグループや文献による以前の数値結果との広範な比較も行いました。」
Desrochers と Kim によるこの最近の研究は、スピン液体状態の π フラックス QSI の特徴的な分光学的特徴の有意義な予測を提供します。これらの痕跡は将来の実験研究を導き、物理学者がこのエキゾチックな状態の存在を確認するのに役立つ可能性があります。
「私たちは、π 束 QSI が非弾性中性子散乱において強度が減少する 3 つのピークを生成するはずであることを強調しました」と Desrochers 氏は述べています。 「これはユニークで特徴的なサインです。これら 3 つのピークが測定されれば、この 3 次元 QSL の実験的実現に対する有力な証拠が得られるでしょう。」
Desrochers と Kim は、研究者がとらえどころのない π フラックス QSI 状態に遭遇したときに何を測定すべきかを決定するために、彼らの予測が役立つことを望んでいます。特に、彼らが特定した分光学的特徴は、現在達成可能な実験分解能で検出可能であるはずであり、したがって、それらはすぐに観察される可能性がある。
一方、研究者らは最近の研究を基礎にして、より詳細な予測を収集する予定だ。たとえば、予測したピークがさまざまな温度でどのように変化するかを研究し、どの温度でピークが消えるかを推定したいと考えています。
「最もエキサイティングな将来の開発は、間違いなく実験的な側面からもたらされるでしょう」とデロッシェ氏は付け加えた。 「これらのピークの存在が確認されれば、この長年求められてきた新しい物質状態の実現について、非常に説得力のある証拠が得られるでしょう。すでにいくつかの有望な兆候が見られます: Ce に関する最近の研究2Sn2O7 強度が減少する 3 つのピークの兆候を示す測定結果を報告しました。」