Квантово-спиновые жидкости — это удивительные квантовые системы, которые в последнее время привлекли значительное внимание исследователей. Эти системы характеризуются сильной конкуренцией между взаимодействиями, которая препятствует установлению дальнего магнитного порядка, например, наблюдаемого в обычных магнитах, где все спины выравниваются в одном направлении, создавая суммарное магнитное поле.
Исследователи из Университета Торонто недавно представили систему, которая могла бы облегчить экспериментальное наблюдение новой трехмерной квантово-спиновой жидкости, известной как октуполярный квантовый спиновый лед с π-потоком (π-O-QSI). Их статья, опубликованная в Physical Review Letters,, предсказывает характерные спектроскопические признаки этой системы, которые можно будет измерить в будущих экспериментах.
«Интересно, что квантово-спиновые жидкости могут содержать фракционированные возбуждения», — рассказал Phys.org Феликс Дероше, соавтор статьи. «А именно, электроны в этих материалах, по-видимому, диссоциируют на несколько компонентов. Например, хотя электроны несут и спин, и заряд, возникшая квазичастица может нести спин, но не иметь заряда.
«Эти возбуждения не возникают в результате фрагментации электронов на несколько частей, а являются результатом весьма нетривиальной формы коллективного движения, вызванного их сильными взаимодействиями».
Физики десятилетиями искали четкие примеры состояния квантовой спиновой жидкости. Тем не менее, прогресс в этой области исследований до сих пор был медленным из-за двух основных факторов.
Во-первых, разработка теоретических моделей, которые реалистично описывают основные состояния спиновой жидкости и которые можно использовать для получения точных предсказаний, оказалась сложной задачей. Во-вторых, обнаружение и характеристика физических свойств этих систем в реальных материалах также оказалось трудной задачей.
«Квантовый спиновый лед (QSI) является редким примером модели с хорошо изученным основным состоянием квантовой спиновой жидкости, и его также можно найти в реальном материале (например, в семействе редкоземельных пирохлоров)», — объяснил Дероше.
«QSI уникален, поскольку реализует решеточный эквивалент квантовой электродинамики: он содержит возникающие фотоноподобные моды (т. е. возбуждения, подобные частицам света), частицы, аналогичные электростатическим зарядам с взаимным кулоновским взаимодействием, известные как спиноны, и даже магнитные монополи».
Согласно теоретическим предсказаниям, квантовая электродинамика, возникающая в QSI, существенно отличается от обычной электродинамики. Например, скорость так называемого «эмерджентного света» должна быть порядка 1 м/с, в отличие от скорости 3×10.8 м/с света, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни.
«Недавние эксперименты с Ce2Zr2O7, Се2Sn2O7 и Се2Hf2O7 были чрезвычайно захватывающими», — сказал Дероше. «Материалы не имеют никаких признаков разрушения вплоть до самой низкой доступной температуры.
«Дальнейшие анализы определили микроскопические параметры, описывающие его поведение. Они обнаружили, что система находится в области пространства параметров, которая, как теоретически предполагается, содержит особый вариант QSI, известный как квантовый спиновый лед π-потока (π-QSI)».
Хотя недавние исследования собрали обнадеживающие результаты, надежная идентификация квантово-спиновых жидкостей является очень сложной задачей, поскольку даже слабый беспорядок потенциально может разрушить эти состояния. Чтобы однозначно обнаружить эти состояния, исследователям сначала необходимо идентифицировать отличительные признаки, характерные для квантовой спиновой жидкости, которая остается стабильной.
«До нашей работы не было четкого предложения о явных признаках спиновой динамики в QSI с π-потоком», — объяснил Дероше. «Таким образом, наша работа была направлена на выявление потенциальных отличительных признаков, которые могли бы помочь определить, реализуется ли QSI π-потока в Ce.2Zr2O7 и другие подобные соединения. Мы особенно сосредоточились на сигнатурах, которые можно измерить с помощью доступного в настоящее время экспериментального оборудования».
В рамках своего исследования Дероше и его доктор философии. Руководитель Ён Бэк Ким намеревался предсказать характерные спектроскопические признаки состояния QSI π-потока, используя теоретическую основу, представленную Люсиль Савари и Леоном Балентсом в 2012 году, известную как калибровочная теория среднего поля (GMFT). Эта концепция по существу переписывает исходные спиновые операторы на основе возникающих возбуждений, присутствующих в квантовом спиновом льду, а именно фотонов и спинонов.
«Эта структура уже использовалась для изучения QSI π-потока в некоторых из самых ранних работ с использованием GMFT», — сказал Дероше. «Поэтому мы расширили эту работу с целью сделать экспериментально значимые предсказания. Чтобы убедиться в надежности наших прогнозов, мы также провели обширные сравнения с предыдущими численными результатами нашей группы и литературными данными».
Это недавнее исследование Дерошера и Кима предлагает значимое предсказание отличительных спектроскопических признаков состояния спиновой жидкости π-потока QSI. Эти сигнатуры могут служить основой для будущих экспериментальных исследований, помогая физикам подтвердить наличие этого экзотического состояния.
«Мы подчеркнули, что π-поток QSI должен давать три пика уменьшающейся интенсивности при неупругом рассеянии нейтронов», — сказал Дероше. «Это уникальная и отличительная подпись. Если их измерить, эти три пика предоставят убедительные доказательства экспериментальной реализации этой трехмерной QSL».
Дерошерс и Ким надеются, что их предсказания помогут исследователям определить, что им следует ожидать при измерении при столкновении с неуловимым состоянием QSI π-потока. Примечательно, что идентифицированные ими спектроскопические признаки должны быть обнаружены при достижимом в настоящее время экспериментальном разрешении, поэтому потенциально их можно будет наблюдать в ближайшее время.
Тем временем исследователи планируют опираться на свое недавнее исследование, чтобы собрать все более подробные прогнозы. Например, они хотели бы изучить, как предсказанные ими пики будут развиваться при разных температурах, и оценить, при каких температурах они исчезнут.
«Самые захватывающие будущие разработки наверняка будут связаны с экспериментальной стороной», — добавил Дероше. «Подтверждение присутствия этих пиков могло бы предоставить весьма убедительное свидетельство реализации этого долгожданного нового состояния материи. Уже есть некоторые обнадеживающие признаки: недавние работы над Ce2Sn2O7 сообщили об измерениях, которые показывают признаки трех пиков уменьшающейся интенсивности».