L’ardesia di calcolo conferma il primo fluido di spin quantistico 3D

L’immagine 3D del continuum di eccitazione di spin, che è un possibile segno di fluido di spin quantistico, è stata osservata in un campione di cristallo singolo di pirocloruro di cerio e zirconio nel 2019. Prestito: Tong Chen / Rice University

Il lavoro investigativo computazionale dei fisici americani-tedeschi ha confermato che il pirocloruro di zirconio di cerio è un liquido per cicatrici quantistiche 3D.

Nonostante il loro nome, i liquidi di spin quantistico sono solidi in cui l’entanglement quantistico և la disposizione geometrica degli atomi interrompe la naturale tendenza degli elettroni ad allinearsi magneticamente tra loro. Nel fluido di spin quantistico, la frustrazione geometrica è così forte che gli elettroni fluttuano tra gli stati magnetici quantistici, non importa quanto freddi diventino.

I fisici teorici in genere lavorano con modelli di meccanica quantistica che emettono liquidi di spin quantistico, ma trovare prove convincenti della loro esistenza nella materia fisica reale può richiedere decenni. Indipendentemente dal fatto che un certo numero di materiali 2D o 3D siano stati proposti come possibili liquidi di spin quantistico, Andrei Nzhidomsky, fisico della Rice University, afferma che non c’è consenso tra i fisici sul fatto che qualcuno di essi si adatterebbe.

Nidomsky spera che cambierà, sulla base dei dati computazionali della Rice, della Florida State University e del Max Planck Institute for Complex Systems Physics di Dresda, in Germania, pubblicati sulla rivista ad accesso aperto di questo mese. npj Materiali quantistici.

“Sulla base di tutte le prove che abbiamo oggi, questo lavoro conferma che i singoli cristalli di pirocloruro di cerio, che sono stati riconosciuti come liquidi di spin quantico 3D candidati nel 2019, sono effettivamente liquidi di spin quantistico con stimoli di spin frammentati”, ha affermato.

Una caratteristica degli elettroni che porta al magnetismo è lo spin. Ogni elettrone si comporta come una piccola asta magnetica con i poli nord-sud e, quando misurata, gli spin dei singoli elettroni sono sempre rivolti verso l’alto o verso il basso. Nella maggior parte degli oggetti di uso quotidiano, i giri vengono alzati o abbassati casualmente. Ma gli elettroni sono di natura antisociale, il che può indurli a organizzare le loro interazioni con i vicini in determinate circostanze. Nei magneti, ad esempio, le rotazioni sono disposte nella stessa direzione, e negli antiferromagneti, su e giù.

A temperature molto basse, gli effetti quantistici diventano più pronunciati, facendo ruotare gli elettroni insieme in molti materiali, anche quelli in cui gli spin mostrano direzioni casuali a temperatura ambiente. I liquidi di spin quantico sono l’opposto, dove gli spin non puntano in una certa direzione, nemmeno in alto o in basso, non importa quanto sia freddo il materiale.

“Il fluido di spin quantico è un esempio dello stato frammentato della materia in natura”, ha affermato Nidomsky, professore associato di fisica e astronomia e membro del Rice Quantum Initiative Center for Rice Quantum Matter (RCQM). . “Gli stimoli individuali non vanno dall’alto verso il basso” o viceversa. Questi sono questi strani oggetti localizzati che portano metà del grado di libertà di una rivoluzione. È come il centro di un cerchio”.

Njidomsky faceva parte di uno studio del 2019 guidato dal fisico sperimentale della Rice Penchen Dai, che ha trovato la prima prova che il pirocloruro di zirconio di cerio è un liquido per cicatrici quantistiche. I campioni della squadra sono stati i primi del loro genere. pirocloruri a causa del loro rapporto da 2 a 2 a 7 di cerio, zirconio և ossigeno, և cristalli singoli, perché all’interno gli atomi erano disposti in una cella continua e ininterrotta. Gli esperimenti di scattering di neutroni anelastici dei colleghi di Dai և hanno rivelato un segno caratteristico del fluido di spin quantistico, la persistenza dell’eccitazione di spin, misurata a temperature fino a 35 μl.

“Puoi sostenere che hanno trovato il sospetto, per accusarlo di un crimine”, ha detto Nidomsky. “In questo nuovo studio, il nostro compito era dimostrare ai giurati che il sospettato era colpevole”.

I colleghi di Nidomsky և hanno costruito il loro lavoro utilizzando i moderni metodi Monte Carlo, un’angolazione precisa e strumenti analitici per eseguire calcoli di dinamica rotazionale per il modello quantomeccanico del pirocloruro di cerio e zirconio. Lo studio è stato condotto da Nidomsky աք Max Planck’s Roderich Mossner, e le simulazioni di Monte Carlo sono state eseguite da Anish Bhardwaj և della Florida և hiesh լ Anglan անի Rice Han y և և Max Planck ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր ներդր tivamente.

“Lo scopo di questa teoria era noto, ma i parametri esatti, di cui ce ne sono almeno quattro, non erano noti”, ha detto Nidomsky. “Questi parametri possono avere valori diversi in composti diversi. “Il nostro obiettivo era trovare questi valori per il pirocloruro di cerio և per determinare se descrivono il fluido di spin quantico”.

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I fisici americani-tedeschi hanno trovato prove che i cristalli di pirocloruro di cerio zirconio sono “liquidi di spin quantico a otto poli” in cui momenti magnetici a otto poli (rosso-blu) contribuiscono al magnetismo frammentato. Prestito: A. Nzhidomsky / Università del riso

“Sarebbe come uno specialista di balistica che utilizza la seconda legge di Newton per calcolare la traiettoria di una palla”, ha detto. “La legge di Newton è nota, ma ha potere predittivo solo se fornisci le condizioni iniziali, come la massa del proiettile և la velocità iniziale. Queste condizioni iniziali sono simili a queste impostazioni. Abbiamo dovuto decodificare o scoprire “quali sono le iniziali?” condizioni all’interno di questo materiale di cerio. և “Questo coincide con la previsione di questo fluido di spin quantico?”

Per costruire un caso convincente, i ricercatori hanno testato il modello confrontandolo con i risultati di studi termodinamici, di diffusione dei neutroni e di magnetizzazione in studi sperimentali precedentemente pubblicati sul pirocloruro di cerio e zirconio.

“Se hai solo una prova, puoi inavvertitamente trovare diversi modelli che corrispondono ancora alla descrizione”, ha detto Nidomsky. “In realtà abbiamo abbinato non una ma tre diverse prove. Quindi un candidato doveva adattarsi a tutti e tre i tentativi. ”

Alcuni studi suggeriscono che lo stesso tipo di fluttuazioni magnetiche quantistiche che si verificano nei fluidi di spin quantistico siano una possibile causa di superconduttività anormale. Ma Nzhidomsky ha affermato che le scoperte computazionali sono di fondamentale interesse per i fisici.

“Questo soddisfa il nostro innato desiderio di fisici di scoprire come funziona la natura”, ha detto. “Non c’è nessun programma che io sappia che possa essere utile. “Non è direttamente correlato al calcolo quantistico, che ci sono idee per l’utilizzo di eccitazioni frazionarie come piattaforma per qubit logici”.

Ha detto che un punto particolarmente interessante per i fisici è l’implementazione sperimentale di fluidi di spin quantistico, “monopoli magnetici”, particelle teoriche la cui esistenza potenziale è ancora oggetto di discussione da parte degli astronomi, fisici delle alte energie.

“Quando le persone parlano di frazionamento, significano che il sistema si comporta come se una particella fisica, come un elettrone, si dividesse in due parti che vagano in giro per poi riunirsi da qualche parte”, ha detto Nzhidomsky. “E nei magneti piroclorici, come quello che abbiamo studiato, questi oggetti erranti si comportano più come monopoli magnetici quantistici”.

I monopoli magnetici possono essere pensati come poli magnetici isolati, come un polo rivolto verso l’alto o verso il basso verso un elettrone.

“Naturalmente, nella fisica classica non puoi mai isolare solo un’estremità di un magnete”, ha detto. “I monopoli nord-sud sono sempre in coppia. Ma nella fisica quantistica, i monopoli magnetici possono esistere ipoteticamente, և i teorici quantistici li hanno costruiti quasi 100 anni fa per studiare questioni fondamentali sulla meccanica quantistica.

“Per quanto ne sappiamo, i monopoli magnetici non esistono nel nostro stato grezzo nello spazio”, ha detto Nidomsky. “Ma si scopre che esiste una versione lussuosa dei monopoli nei liquidi di rotazione quantistica di questo pirocloruro di cerio. La rotazione di uno spin crea due quasiparticelle frammentate chiamate spinoni, che si comportano come monopoli, vagando attorno a un reticolo cristallino.

Lo studio ha anche trovato prove che gli spinoni monopolari si sono formati in un uovo insolito in pirocloruro di zirconio e zirconio. A causa della disposizione quadrilatera degli atomi magnetici nel pirocloruro, lo studio suggerisce che sviluppino momenti magnetici a otto poli a basse temperature, ruotando quasi-particelle magnetiche con otto poli. La ricerca ha dimostrato che gli spinoni nel materiale sono prodotti sia da queste molle a otto poli che da momenti di spin bipolari più comuni.

“La nostra modellazione ha determinato le proporzioni esatte dell’interazione di questi due componenti tra loro”, ha affermato Nzhidomsky. “Questo apre un nuovo capitolo non solo nella comprensione teorica del pirocloruro di cerio, ma anche nei liquidi di spin octa-quantistico in generale”.


I fisici hanno scoperto il primo possibile fluido di spin quantistico 3-D


Informazioni aggiuntive.
Anish Bhardwaj et al. npj Materiali quantistici (2022). DOI: 10.1038 / s41535-022-00458-2:

Fornito da Rice University

Citazione:Lo slip calcolato conferma il primo liquido di spin quantico 3D (2022, 10 maggio), preso l’11 maggio 2022 https://phys.org/news/2022-05-sleuthing-3d-quantum-liquid.html

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