Chất lỏng spin lượng tử là những hệ lượng tử hấp dẫn gần đây đã thu hút được sự chú ý nghiên cứu đáng kể. Các hệ thống này được đặc trưng bởi sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa các tương tác, ngăn cản việc thiết lập trật tự từ trường tầm xa, chẳng hạn như quan sát thấy ở nam châm thông thường, trong đó tất cả các spin sắp xếp theo cùng một hướng để tạo ra một từ trường ròng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Toronto gần đây đã giới thiệu một khung có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc quan sát thử nghiệm một chất lỏng spin lượng tử 3D mới được gọi là băng spin lượng tử bát cực π-thông lượng (π-O-QSI). Bài báo của họ, được xuất bản trong Physical Review Letters, dự đoán các dấu hiệu quang phổ đặc biệt của hệ thống này, có thể đo được trong các thí nghiệm trong tương lai.
“Thật thú vị, chất lỏng spin lượng tử có thể chứa các kích thích phân đoạn,” Félix Desrochers, đồng tác giả của bài báo, nói với Phys.org. “Cụ thể là các electron trong những vật liệu này dường như phân ly thành nhiều thành phần. Ví dụ, trong khi các electron mang cả spin và điện tích, giả hạt mới nổi có thể mang spin nhưng không mang điện tích.
“Những sự kích thích này không phát sinh từ sự phân mảnh của các electron thành nhiều mảnh mà thay vào đó là kết quả của một dạng chuyển động tập thể rất không tầm thường gây ra bởi sự tương tác mạnh mẽ của chúng.”
Các nhà vật lý đã tìm kiếm những ví dụ rõ ràng về trạng thái lỏng spin lượng tử trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu này cho đến nay vẫn còn chậm, do hai yếu tố chính.
Đầu tiên, việc đưa ra các mô hình lý thuyết mô tả thực tế các trạng thái cơ bản quay của chất lỏng và có thể được sử dụng để đưa ra các dự đoán chính xác đã tỏ ra đầy thách thức. Thứ hai, việc phát hiện và mô tả đặc tính vật lý của các hệ thống này trong vật liệu thực cũng tỏ ra khó khăn.
Desrochers giải thích: “Băng spin lượng tử (QSI) là một ví dụ hiếm hoi về mô hình có trạng thái cơ bản chất lỏng spin lượng tử được hiểu rõ và cũng có thể được tìm thấy trong một vật liệu thực (như họ pyrochlores đất hiếm).
“QSI thật phi thường vì nó hiện thực hóa mạng tương đương với điện động lực học lượng tử: nó lưu trữ các chế độ giống như photon mới nổi (tức là các kích thích tương tự như các hạt ánh sáng), các hạt tương tự như điện tích có tương tác Coulomb lẫn nhau được gọi là spinon và thậm chí cả đơn cực từ.”
Dựa trên các dự đoán lý thuyết, điện động lực học lượng tử xuất hiện trong QSI khác biệt đáng kể so với điện động lực học thông thường. Ví dụ, tốc độ của cái gọi là “ánh sáng phát ra” phải ở mức 1 m/s, trái ngược với tốc độ 3 × 108 m/s ánh sáng chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày.
“Các thí nghiệm gần đây trên Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 và Ce2Hf2O7 Desrochers nói. “Các vật liệu không có dấu hiệu sắp xếp lại nhiệt độ thấp nhất có thể tiếp cận được.
“Các phân tích sâu hơn đã xác định các thông số vi mô mô tả hành vi của nó. Họ phát hiện ra rằng hệ thống này nằm trong một vùng không gian tham số được đề xuất về mặt lý thuyết để lưu trữ một loại QSI cụ thể được gọi là băng spin lượng tử dòng π (π-QSI).
Trong khi các nghiên cứu gần đây thu thập những phát hiện đáng khích lệ, việc xác định một cách đáng tin cậy các chất lỏng spin lượng tử là một nhiệm vụ cực kỳ phức tạp, vì ngay cả một sự rối loạn yếu cũng có thể phá vỡ các trạng thái này. Để phát hiện những trạng thái này một cách rõ ràng, trước tiên các nhà nghiên cứu cần xác định các dấu hiệu đặc biệt đặc trưng cho chất lỏng spin lượng tử vẫn ổn định.
Desrochers giải thích: “Trước công việc của chúng tôi, không có đề xuất rõ ràng nào về các dấu hiệu rõ ràng của động lực học spin trong QSI thông lượng π”. “Do đó, công việc của chúng tôi nhằm mục đích làm nổi bật các dấu hiệu riêng biệt tiềm năng có thể giúp xác định xem QSI thông lượng π có được hiện thực hóa trong Ce hay không.2Zr2O7 và các hợp chất tương tự khác. Chúng tôi đặc biệt tập trung vào các chữ ký có thể đo được bằng thiết bị thí nghiệm hiện có.”
Là một phần trong nghiên cứu của họ, Desrochers và bằng tiến sĩ của ông. giám sát viên Yong Baek Kim bắt đầu dự đoán các dấu hiệu quang phổ đặc biệt của trạng thái QSI thông lượng π bằng cách sử dụng khung lý thuyết do Lucile Savary và Leon Balents giới thiệu vào năm 2012, được gọi là lý thuyết trường trung bình gauge (GMFT). Khung này về cơ bản viết lại các toán tử spin ban đầu dựa trên các kích thích mới xuất hiện trong băng spin lượng tử, cụ thể là photon và spinon.
Desrochers cho biết: “Khung này đã được sử dụng để nghiên cứu QSI thông lượng π trong một số công trình đầu tiên sử dụng GMFT. “Do đó, chúng tôi đã mở rộng công việc này với mục đích đưa ra những dự đoán có ý nghĩa thực nghiệm. Để đảm bảo những dự đoán của chúng tôi là đáng tin cậy, chúng tôi cũng đã thực hiện những so sánh sâu rộng với các kết quả bằng số trước đó từ nhóm của chúng tôi và tài liệu.”
Nghiên cứu gần đây của Desrochers và Kim đưa ra một dự đoán có ý nghĩa về các dấu hiệu quang phổ đặc biệt của trạng thái chất lỏng spin π-thông lượng QSI. Những dấu hiệu này có thể hướng dẫn các nghiên cứu thực nghiệm trong tương lai, giúp các nhà vật lý xác nhận sự hiện diện của trạng thái kỳ lạ này.
Desrochers cho biết: “Chúng tôi nhấn mạnh rằng QSI thông lượng π sẽ tạo ra ba đỉnh có cường độ giảm dần trong tán xạ neutron không đàn hồi”. “Đây là một chữ ký độc đáo và khác biệt. Nếu được đo, ba đỉnh này sẽ cung cấp bằng chứng thuyết phục cho việc hiện thực hóa thử nghiệm QSL ba chiều này.”
Desrochers và Kim hy vọng rằng dự đoán của họ sẽ giúp các nhà nghiên cứu xác định những gì họ mong đợi đo khi gặp trạng thái QSI thông lượng π khó nắm bắt. Đáng chú ý, các dấu hiệu quang phổ mà họ xác định có thể được phát hiện ở độ phân giải thử nghiệm hiện có thể đạt được, do đó chúng có thể được quan sát sớm.
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu có kế hoạch dựa trên nghiên cứu gần đây của họ để thu thập những dự đoán ngày càng chi tiết. Ví dụ, họ muốn nghiên cứu xem các đỉnh mà họ dự đoán sẽ tiến hóa như thế nào ở các nhiệt độ khác nhau và ước tính xem chúng biến mất ở nhiệt độ nào.
Desrochers nói thêm: “Những phát triển thú vị nhất trong tương lai chắc chắn sẽ đến từ khía cạnh thử nghiệm”. “Việc xác nhận sự hiện diện của những đỉnh này sẽ mang lại bằng chứng thuyết phục cao về sự hiện thực hóa trạng thái vật chất mới được tìm kiếm từ lâu này. Hiện đã có một số dấu hiệu đáng khích lệ: nghiên cứu gần đây về Ce2Sn2O7 các phép đo được báo cáo cho thấy dấu hiệu của ba đỉnh có cường độ giảm dần.”