量子自旋液體是令人著迷的量子系統(tǒng)，最近引起了廣泛的研究關注。這些系統(tǒng)的特點是相互作用之間存在強烈的競爭，這阻礙了長程磁序的建立，例如在傳統(tǒng)磁體中觀察到的情況，其中所有自旋沿同一方向排列以產(chǎn)生凈磁場。
多倫多大學的研究人員最近推出了一個框架，可以促進對一種新的3D量子自旋液體(稱為π通量八極量子自旋冰(π-O-QSI))的實驗觀察。他們的論文發(fā)表在《物理評論快報》上，預測了該系統(tǒng)獨特的光譜特征，可以在未來的實驗中進行測量。
“有趣的是，量子自旋液體可以進行分段激發(fā)，”該論文的合著者FélixDesrochers告訴Phys.org。“也就是說，這些材料中的電子似乎解離成多個成分。例如，雖然電子同時攜帶自旋和電荷，但出現(xiàn)的準粒子可以攜帶自旋但不攜帶電荷。
“這些激發(fā)并不是由電子分裂成幾塊而產(chǎn)生的，而是由它們的強相互作用引起的一種非常重要的集體運動形式的結果。”
幾十年來，物理學家一直在尋找量子自旋液態(tài)的明確例子。盡管如此，由于兩個主要因素，該研究領域迄今為止進展緩慢。
首先，事實證明，設計能夠真實描述自旋液體基態(tài)并可用于得出準確預測的理論模型具有挑戰(zhàn)性。其次，事實證明，在真實材料中檢測和表征這些系統(tǒng)的物理特性也很困難。
Desrochers解釋說：“量子自旋冰(QSI)是具有眾所周知的量子自旋液態(tài)基態(tài)模型的罕見例子，并且也可以在真實材料(如稀土燒綠石家族)中找到。”
“QSI是非凡的，因為它實現(xiàn)了量子電動力學的晶格等效：它具有類似光子的涌現(xiàn)模式(即類似于光粒子的激發(fā))、類似于靜電電荷的粒子，具有相互庫侖相互作用，稱為自旋子，甚至是磁單極子。”
根據(jù)理論預測，QSI中出現(xiàn)的量子電動力學與傳統(tǒng)電動力學有很大不同。例如，所謂的“出射光”的速度應該在1m/s的數(shù)量級，而不是我們在日常生活中遇到的3x108m/s的光。
“最近關于Ce2Zr2O7、Ce2Sn2O7和Ce2Hf2O7的實驗非常令人興奮，”Desrochers說。“這些材料沒有表現(xiàn)出任何低至最低可達到溫度的有序跡象。
“進一步的分析確定了描述其行為的微觀參數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)位于一個參數(shù)空間區(qū)域，理論上該區(qū)域存在一種特定的QSI，稱為π通量量子自旋冰(π-QSI)。”
雖然最近的研究得出了令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)，但可靠地識別量子自旋液體是一項非常復雜的任務，因為即使是微弱的無序也可能會破壞這些狀態(tài)。為了明確地檢測這些狀態(tài)，研究人員首先需要識別量子自旋液體特有的、保持穩(wěn)定的獨特特征。
“在我們的工作之前，對于π通量QSI中自旋動力學的確鑿證據(jù)，并沒有明確的建議，”Desrochers解釋道。“因此，我們的工作旨在強調(diào)潛在的獨特特征，這些特征可以幫助確定π通量QSI是否在Ce2Zr2O7和其他類似化合物中實現(xiàn)。我們特別關注可以用當前可用的實驗設備測量的特征。”
作為他們研究的一部分，德羅徹斯和他的博士。導師YongBaekKim開始使用LucileSavary和LeonBalents在2012年提出的理論框架(稱為規(guī)范平均場理論(GMFT))來預測π通量QSI態(tài)的獨特光譜特征。該框架本質上重寫了基于量子自旋冰中出現(xiàn)的新興激發(fā)(即光子和自旋子)的初始自旋算子。
“在一些最早利用GMFT的工作中，這個框架已經(jīng)被用來研究π通量QSI，”Desrochers說。“因此，我們擴展了這項工作，目的是做出具有實驗意義的預測。為了確保我們的預測可靠，我們還與我們小組和文獻之前的數(shù)值結果進行了廣泛的比較。”
Desrochers和Kim最近的這項研究對自旋液態(tài)π通量QSI的獨特光譜特征進行了有意義的預測。這些特征可以指導未來的實驗研究，幫助物理學家確認這種奇異狀態(tài)的存在。
“我們強調(diào)，π通量QSI應該在非彈性中子散射中產(chǎn)生三個強度遞減的峰，”Desrochers說。“這是一個獨特而獨特的特征。如果進行測量，這三個峰將為實驗實現(xiàn)這種三維QSL提供令人信服的證據(jù)。”
Desrochers和Kim希望他們的預測能夠幫助研究人員確定在遇到難以捉摸的π通量QSI狀態(tài)時應該測量什么。值得注意的是，他們識別的光譜特征應該可以在當前可實現(xiàn)的實驗分辨率下檢測到，因此它們可能很快就會被觀測到。
與此同時，研究人員計劃在他們最近的研究的基礎上收集越來越詳細的預測。例如，他們想研究他們預測的峰值在不同溫度下如何演變，并估計它們在什么溫度下消失。
“未來最令人興奮的發(fā)展肯定來自實驗方面，”德羅徹斯補充道。“確認這些峰的存在將為實現(xiàn)這種期待已久的新物質狀態(tài)提供極具說服力的證據(jù)。已經(jīng)出現(xiàn)了一些令人鼓舞的跡象：最近對Ce2Sn2O7的研究報告的測量結果表明，強度遞減的三個峰值。”
標簽：
免責聲明：本文由用戶上傳，如有侵權請聯(lián)系刪除！