Cecair putaran kuantum ialah sistem kuantum yang menarik yang baru-baru ini menarik perhatian penyelidikan yang ketara. Sistem ini dicirikan oleh persaingan yang kuat antara interaksi, yang menghalang penubuhan susunan magnet jarak jauh, seperti yang diperhatikan dalam magnet konvensional, di mana semua putaran sejajar sepanjang arah yang sama untuk menghasilkan medan magnet bersih.
Penyelidik di Universiti Toronto baru-baru ini memperkenalkan rangka kerja yang boleh memudahkan pemerhatian eksperimen cecair putaran kuantum 3D baharu yang dikenali sebagai ais putaran kuantum kuantum π-flux octupolar (π-O-QSI). Kertas kerja mereka, diterbitkan dalam Kajian Surat fizikal, meramalkan tandatangan spektroskopi tersendiri bagi sistem ini, yang boleh diukur dalam eksperimen masa hadapan.
"Menariknya, cecair putaran kuantum boleh menjadi tuan rumah pengujaan pecahan," Félix Desrochers, pengarang bersama kertas itu, memberitahu Phys.org. "Iaitu, elektron dalam bahan ini kelihatan berpecah kepada beberapa komponen. Sebagai contoh, sementara elektron membawa kedua-dua putaran dan cas, kuasipartikel yang timbul boleh membawa putaran tetapi tiada cas.
"Pengujaan ini tidak timbul daripada pemecahan elektron kepada beberapa bahagian tetapi sebaliknya adalah hasil daripada bentuk gerakan kolektif yang sangat tidak remeh yang disebabkan oleh interaksi kuat mereka."
Ahli fizik telah mencari contoh jelas keadaan cecair putaran kuantum selama beberapa dekad. Namun begitu, kemajuan dalam bidang penyelidikan ini setakat ini adalah perlahan, disebabkan oleh dua faktor utama.
Pertama, mencipta model teori yang menggambarkan keadaan tanah cecair putaran secara realistik dan yang boleh digunakan untuk memperoleh ramalan yang tepat telah terbukti mencabar. Kedua, mengesan dan mencirikan sifat fizikal sistem ini dalam bahan sebenar juga terbukti sukar.
"Ais putaran kuantum (QSI) ialah contoh jarang model dengan keadaan tanah cecair putaran kuantum yang difahami dengan baik dan juga boleh didapati dalam bahan sebenar (seperti keluarga pyrochlores nadir bumi)," jelas Desrochers.
"QSI adalah luar biasa kerana ia menyedari kekisi yang setara dengan elektrodinamik kuantum: ia menjadi tuan rumah kepada mod seperti foton yang muncul (iaitu, pengujaan yang serupa dengan zarah cahaya), zarah yang serupa dengan cas elektrostatik dengan interaksi Coulomb bersama yang dikenali sebagai spinon dan juga monopol magnetik."
Berdasarkan ramalan teori, elektrodinamik kuantum yang muncul dalam QSI berbeza dengan ketara daripada elektrodinamik konvensional. Sebagai contoh, kelajuan apa yang dipanggil "cahaya timbul" hendaklah dalam susunan 1 m/s, berbanding dengan 3×108 m/s cahaya yang kita temui dalam kehidupan seharian.
"Eksperimen terbaru pada Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 dan Ce2Hf2O7 sangat mengujakan,” kata Desrochers. “Bahan-bahan itu tidak menunjukkan sebarang tanda pesanan turun ke suhu paling rendah yang boleh diakses.
"Analisis lanjut menentukan parameter mikroskopik yang menerangkan kelakuannya. Mereka mendapati bahawa sistem itu berada dalam kawasan ruang parameter yang secara teorinya dicadangkan untuk menjadi tuan rumah rasa khusus QSI yang dikenali sebagai ais putaran kuantum π-flux (π-QSI).
Walaupun kajian baru-baru ini mengumpul penemuan yang menggalakkan, mengenal pasti cecair putaran kuantum dengan pasti adalah tugas yang sangat kompleks, kerana gangguan yang lemah pun berpotensi mengganggu keadaan ini. Untuk mengesan keadaan ini dengan jelas, penyelidik perlu mengenal pasti tandatangan tersendiri yang khusus untuk cecair putaran kuantum, yang kekal stabil.
"Sebelum kerja kami, tidak ada cadangan yang jelas untuk tandatangan pistol merokok bagi dinamik putaran dalam π-flux QSI," jelas Desrochers. “Kerja kami dengan itu bertujuan untuk menyerlahkan potensi tandatangan berbeza yang boleh membantu mengenal pasti jika π-fluks QSI direalisasikan dalam Ce2Zr2O7 dan sebatian lain yang serupa. Kami memberi tumpuan terutamanya pada tandatangan yang boleh diukur dengan radas eksperimen yang tersedia pada masa ini."
Sebagai sebahagian daripada kajian mereka, Desrochers dan Ph.D. penyelia Yong Baek Kim menetapkan untuk meramalkan tandatangan spektroskopi tersendiri bagi keadaan π-fluks QSI menggunakan rangka kerja teori yang diperkenalkan oleh Lucile Savary dan Leon Balents pada 2012, yang dikenali sebagai teori medan min tolok (GMFT). Rangka kerja ini pada asasnya menulis semula pengendali putaran awal berdasarkan pengujaan yang muncul dalam ais putaran kuantum, iaitu foton dan spinon.
"Rangka kerja ini telah digunakan untuk mengkaji π-flux QSI dalam beberapa karya terawal menggunakan GMFT," kata Desrochers. "Oleh itu, kami telah mengembangkan kerja ini dengan tujuan membuat ramalan bermakna secara eksperimen. Untuk memastikan ramalan kami boleh dipercayai, kami juga telah membuat perbandingan yang meluas dengan hasil berangka sebelumnya daripada kumpulan kami dan kesusasteraan."
Kajian terbaru oleh Desrochers dan Kim ini menawarkan ramalan bermakna tentang tandatangan spektroskopi tersendiri keadaan cecair putaran π-fluks QSI. Tandatangan ini boleh membimbing kajian eksperimen masa depan, membantu ahli fizik mengesahkan kehadiran keadaan eksotik ini.
"Kami menyerlahkan bahawa π-fluks QSI harus menghasilkan tiga puncak penurunan intensiti dalam penyerakan neutron tidak anjal, " kata Desrochers. “Ini adalah tandatangan yang unik dan tersendiri. Jika diukur, ketiga-tiga puncak ini akan memberikan bukti yang menarik untuk merealisasikan percubaan QSL tiga dimensi ini."
Desrochers dan Kim berharap ramalan mereka akan membantu penyelidik untuk menentukan perkara yang mereka harapkan untuk diukur apabila menghadapi keadaan QSI fluks π yang sukar difahami. Terutama, tandatangan spektroskopi yang mereka kenal pasti harus dapat dikesan pada resolusi percubaan yang boleh dicapai pada masa ini, oleh itu ia berpotensi dapat diperhatikan tidak lama lagi.
Sementara itu, para penyelidik merancang untuk membina kajian terbaru mereka untuk mengumpulkan ramalan yang semakin terperinci. Sebagai contoh, mereka ingin mengkaji bagaimana puncak yang mereka ramalkan akan berkembang pada suhu yang berbeza dan menganggarkan berapa suhu yang hilang.
"Perkembangan masa depan yang paling menarik pasti akan datang dari sisi eksperimen," tambah Desrochers. “Pengesahan kehadiran puncak-puncak ini akan menawarkan bukti yang sangat meyakinkan tentang merealisasikan keadaan baru yang telah lama dicari ini. Sudah ada beberapa tanda yang menggalakkan: kerja terbaru tentang Ce2Sn2O7 melaporkan pengukuran yang menunjukkan tanda-tanda tiga puncak keamatan menurun."