研究概述了八極量子自旋冰中分裂的光譜特征

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(guān)注。這些系統(tǒng)的特點(diǎn)是相互作用之間存在強(qiáng)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(xué)的研究人員最近推出了一個框架，可以促進(jìn)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(shí)驗(yàn)觀察。他們的論文發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上，預(yù)測了該系統(tǒng)獨(dú)特的光譜特征，可以在未來的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測量。

“有趣的是，量子自旋液體可以進(jìn)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(zhǔn)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(qiáng)相互作用引起的一種非常重要的集體運(yùn)動形式的結(jié)果。”

幾十年來，物理學(xué)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(lǐng)域迄今為止進(jìn)展緩慢。

首先，事實(shí)證明，設(shè)計(jì)能夠真實(shí)描述自旋液體基態(tài)并可用于得出準(zhǔn)確預(yù)測的理論模型具有挑戰(zhàn)性。其次，事實(shí)證明，在真實(shí)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(shí)材料(如稀土燒綠石家族)中找到。”

“QSI是非凡的，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了量子電動力學(xué)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(yù)測，QSI中出現(xiàn)的量子電動力學(xué)與傳統(tǒng)電動力學(xué)有很大不同。例如，所謂的“出射光”的速度應(yīng)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(guān)于Ce2Zr2O7、Ce2Sn2O7和Ce2Hf2O7的實(shí)驗(yàn)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(dá)到溫度的有序跡象。

“進(jìn)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(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)榧词故俏⑷醯臒o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(dú)特特征。

“在我們的工作之前，對于π通量QSI中自旋動力學(xué)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(qiáng)調(diào)潛在的獨(dú)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(shí)現(xiàn)。我們特別關(guān)注可以用當(dāng)前可用的實(shí)驗(yàn)設(shè)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(dǎo)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(yù)測π通量QSI態(tài)的獨(dú)特光譜特征。該框架本質(zhì)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(kuò)展了這項(xiàng)工作，目的是做出具有實(shí)驗(yàn)意義的預(yù)測。為了確保我們的預(yù)測可靠，我們還與我們小組和文獻(xiàn)之前的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了廣泛的比較。”

Desrochers和Kim最近的這項(xiàng)研究對自旋液態(tài)π通量QSI的獨(dú)特光譜特征進(jìn)行了有意義的預(yù)測。這些特征可以指導(dǎo)未來的實(shí)驗(yàn)研究，幫助物理學(xué)家確認(rèn)這種奇異狀態(tài)的存在。

“我們強(qiáng)調(diào)，π通量QSI應(yīng)該在非彈性中子散射中產(chǎn)生三個強(qiáng)度遞減的峰，”Desrochers說。“這是一個獨(dú)特而獨(dú)特的特征。如果進(jìn)行測量，這三個峰將為實(shí)驗(yàn)實(shí)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(yù)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(yīng)該測量什么。值得注意的是，他們識別的光譜特征應(yīng)該可以在當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)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(jì)劃在他們最近的研究的基礎(chǔ)上收集越來越詳細(xì)的預(yù)測。例如，他們想研究他們預(yù)測的峰值在不同溫度下如何演變，并估計(jì)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(shí)驗(yàn)方面，”德羅徹斯補(bǔ)充道。“確認(rèn)這些峰的存在將為實(shí)現(xiàn)這種期待已久的新物質(zhì)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(bào)告的測量結(jié)果表明，強(qiáng)度遞減的三個峰值。”

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