Kwantumspinvloeistoffen zijn fascinerende kwantumsystemen die recentelijk veel onderzoeksaandacht hebben getrokken. Deze systemen worden gekenmerkt door een sterke concurrentie tussen interacties, die de vestiging van een magnetische orde over lange afstanden verhindert, zoals waargenomen bij conventionele magneten, waarbij alle spins in dezelfde richting uitlijnen om een netto magnetisch veld te produceren.
Onderzoekers van de Universiteit van Toronto hebben onlangs een raamwerk geïntroduceerd dat de experimentele observatie van een nieuwe 3D-kwantumspinvloeistof, bekend als π-flux octupolair kwantumspinijs (π-O-QSI), zou kunnen vergemakkelijken. Hun artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters, voorspelt de onderscheidende spectroscopische kenmerken van dit systeem, die in toekomstige experimenten zouden kunnen worden gemeten.
“Interessant is dat kwantumspinvloeistoffen gefractioneerde excitaties kunnen herbergen”, vertelde Félix Desrochers, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. “De elektronen in deze materialen lijken namelijk te dissociëren in meerdere componenten. Terwijl elektronen bijvoorbeeld zowel spin als lading dragen, kan het opkomende quasideeltje wel spin maar geen lading dragen.
“Deze excitaties komen niet voort uit de fragmentatie van de elektronen in verschillende stukken, maar zijn in plaats daarvan het resultaat van een zeer niet-triviale vorm van collectieve beweging, veroorzaakt door hun sterke interacties.”
Natuurkundigen zoeken al tientallen jaren naar duidelijke voorbeelden van de kwantum-spin-vloeistoftoestand. Niettemin verloopt de vooruitgang op dit onderzoeksgebied tot nu toe traag, als gevolg van twee belangrijke factoren.
Ten eerste is het een uitdaging gebleken om theoretische modellen te bedenken die op realistische wijze spin-vloeibare grondtoestanden beschrijven en die kunnen worden gebruikt om nauwkeurige voorspellingen af te leiden. Ten tweede bleek het detecteren en karakteriseren van de fysieke eigenschappen van deze systemen in echte materialen ook moeilijk.
“Quantumspin-ijs (QSI) is een zeldzaam voorbeeld van een model met een goed begrepen kwantumspin-vloeistofgrondtoestand en kan ook worden aangetroffen in echt materiaal (zoals de familie van pyrochloren van zeldzame aardmetalen)”, legt Desrochers uit.
“QSI is buitengewoon omdat het het roosterequivalent van de kwantumelektrodynamica realiseert: het herbergt opkomende fotonachtige modi (dat wil zeggen excitaties die lijken op lichtdeeltjes), deeltjes die analoog zijn aan elektrostatische ladingen met onderlinge Coulomb-interactie, bekend als spinonen en zelfs magnetische monopolen.”
Op basis van theoretische voorspellingen verschilt de kwantumelektrodynamica die in QSI naar voren komt aanzienlijk van conventionele elektrodynamica. De snelheid van het zogenaamde “opkomende licht” zou bijvoorbeeld in de orde van 1 m/s moeten liggen, in tegenstelling tot de 3×108 m/s licht die we in het dagelijks leven tegenkomen.
“Recente experimenten met Ce2Zr2O7Ce2Sn2O7 en Ce2Hf2O7 Het was buitengewoon spannend”, aldus Desrochers. “De materialen vertonen geen enkel spoor van ordening tot aan de laagst bereikbare temperatuur.
“Verdere analyses bepaalden de microscopische parameters die zijn gedrag beschrijven. Ze ontdekten dat het systeem zich in een gebied van de parameterruimte bevindt waarvan theoretisch wordt gesuggereerd dat het een specifieke smaak van QSI herbergt, bekend als π-flux quantum spin-ijs (π-QSI).”
Hoewel recente studies bemoedigende bevindingen hebben verzameld, is het betrouwbaar identificeren van kwantumspinvloeistoffen een zeer complexe taak, omdat zelfs een zwakke stoornis deze toestanden potentieel zou kunnen verstoren. Om deze toestanden ondubbelzinnig te detecteren, moeten onderzoekers eerst onderscheidende kenmerken identificeren die specifiek zijn voor een kwantumspinvloeistof en die stabiel blijven.
"Voorafgaand aan ons werk was er geen duidelijk voorstel voor een 'rokende handtekening' van de spindynamiek in π-flux QSI", legt Desrochers uit. “Ons werk was er dus op gericht om potentiële onderscheidende kenmerken te benadrukken die zouden kunnen helpen identificeren of π-flux QSI wordt gerealiseerd in Ce2Zr2O7 en andere soortgelijke verbindingen. We hebben ons vooral gericht op handtekeningen die gemeten kunnen worden met de momenteel beschikbare experimentele apparatuur.”
Als onderdeel van hun studie hebben Desrochers en zijn Ph.D. supervisor Yong Baek Kim wilde de onderscheidende spectroscopische kenmerken van de π-flux QSI-toestand voorspellen met behulp van een theoretisch raamwerk geïntroduceerd door Lucile Savary en Leon Balents in 2012, bekend als gauge mean-field theorie (GMFT). Dit raamwerk herschrijft in wezen de initiële spin-operatoren op basis van de opkomende excitaties die aanwezig zijn in kwantumspin-ijs, namelijk fotonen en spinonen.
"Dit raamwerk werd al gebruikt om π-flux QSI te bestuderen in enkele van de eerste werken waarin GMFT werd gebruikt", aldus Desrochers. “We hebben dit werk dus uitgebreid met als doel experimenteel betekenisvolle voorspellingen te doen. Om er zeker van te zijn dat onze voorspellingen betrouwbaar zijn, hebben we ook uitgebreide vergelijkingen gemaakt met eerdere numerieke resultaten uit onze groep en de literatuur.”
Deze recente studie door Desrochers en Kim biedt een zinvolle voorspelling van de onderscheidende spectroscopische kenmerken van de spin-vloeistoftoestand π-flux QSI. Deze handtekeningen zouden toekomstige experimentele studies kunnen begeleiden en natuurkundigen kunnen helpen de aanwezigheid van deze exotische staat te bevestigen.
“We benadrukten dat π-flux QSI drie pieken met afnemende intensiteit zou moeten produceren bij inelastische neutronenverstrooiing”, aldus Desrochers. “Dit is een unieke en onderscheidende handtekening. Indien gemeten, zouden deze drie pieken overtuigend bewijs leveren voor de experimentele realisatie van deze driedimensionale QSL.”
Desrochers en Kim hopen dat hun voorspellingen onderzoekers zullen helpen bepalen wat ze moeten verwachten te meten wanneer ze de ongrijpbare π-flux QSI-toestand tegenkomen. Met name zouden de spectroscopische kenmerken die ze hebben geïdentificeerd detecteerbaar moeten zijn met momenteel haalbare experimentele resoluties, waardoor ze mogelijk binnenkort kunnen worden waargenomen.
Ondertussen zijn de onderzoekers van plan voort te bouwen op hun recente onderzoek om steeds gedetailleerdere voorspellingen te verzamelen. Ze willen bijvoorbeeld bestuderen hoe de pieken die ze voorspelden zich zouden ontwikkelen bij verschillende temperaturen en inschatten bij welke temperaturen ze verdwijnen.
“De meest opwindende toekomstige ontwikkelingen zullen zeker van de experimentele kant komen”, voegde Desrochers eraan toe. “Bevestiging van de aanwezigheid van deze pieken zou zeer overtuigend bewijs bieden van de realisatie van deze lang gezochte nieuwe toestand van de materie. Er zijn al enkele bemoedigende signalen: recent werk aan Ce2Sn2O7 gerapporteerde metingen die tekenen vertonen van drie pieken van afnemende intensiteit.”