Encuesta por computadora confirma el primer líquido de espín cuántico en 3D

Una representación en 3D del continuo de excitación de espín, una posible característica de un líquido de espín cuántico, observada en 2019 en una muestra monocristalina de pirocloro de cerio y circonio. Crédito: Tong Chen/Universidad Rice

El trabajo de detective informático realizado por físicos estadounidenses y alemanes ha confirmado que el pirocloro de cerio-zirconio es un líquido de espín cuántico tridimensional.

A pesar de su nombre, los líquidos de espín cuántico son materiales sólidos en los que el entrelazamiento cuántico y la disposición geométrica de los átomos contrarrestan la tendencia natural de los electrones a ordenarse magnéticamente entre sí. La frustración geométrica en un líquido de espín cuántico es tan severa que los electrones fluctúan entre estados magnéticos cuánticos, sin importar cuán fríos sean.

Los físicos teóricos trabajan habitualmente con modelos mecánicos cuánticos que manifiestan líquidos de espín cuántico, pero encontrar evidencia convincente de que existen en materiales físicos reales ha sido un desafío de décadas. Alors qu’un certain nombre de matériaux 2D ou 3D ont été proposés comme possibles liquides de spin quantique, le physicien Andriy Nevidomskyy de l’Université Rice a déclaré qu’il n’y avait pas de consensus établi parmi les physiciens sur la qualification de uno de ellos.

Nevidomskyy espera que eso cambie según la investigación computacional que él y sus colegas de Rice, Florida State University y el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, publicaron este mes en la revista de acceso abierto. Materiales cuánticos npj.

“Con base en toda la evidencia que tenemos hoy, este trabajo confirma que los monocristales de pirocloro de cerio identificados como candidatos líquidos de espín cuántico 3D en 2019 son, de hecho, líquidos de espín cuántico con excitaciones de espín dividido”, declaró.

La propiedad inherente de los electrones que conduce al magnetismo es el giro. Cada electrón se comporta como una pequeña barra magnética con un polo norte y un polo sur, y cuando se miden, los giros de los electrones individuales siempre apuntan hacia arriba o hacia abajo. En la mayoría de los materiales cotidianos, las rotaciones apuntan hacia arriba o hacia abajo al azar. Pero los electrones son de naturaleza antisocial, lo que puede hacer que organicen sus espines en relación con sus vecinos bajo ciertas circunstancias. En los imanes, por ejemplo, los espines están dispuestos colectivamente en la misma dirección, y en los antiferromagnetos están dispuestos en un patrón de arriba hacia abajo y de arriba hacia abajo.

A temperaturas muy bajas, los efectos cuánticos se vuelven más prominentes, lo que hace que los electrones organicen sus espines colectivamente en la mayoría de los materiales, incluso en aquellos en los que los espines apuntarían en direcciones aleatorias a temperatura ambiente. Los líquidos de giro cuántico son un contraejemplo, donde los giros no apuntan en una dirección definida, ni siquiera hacia arriba o hacia abajo, sin importar qué tan frío esté el material.

“Un líquido de espín cuántico, por su propia naturaleza, es un ejemplo de un estado dividido de la materia”, dijo Nevidomskyy, profesor asociado de física y astronomía y miembro de la Iniciativa Rice Quantum y el Centro Rice para Materiales Cuánticos (RCQM). ). . “Las excitaciones individuales no son giros hacia arriba y hacia abajo o viceversa. Son estos objetos extraños y deslocalizados que tienen medio grado de libertad de giro. Es como medio giro”.

Nevidomskyy fue parte del estudio de 2019 dirigido por el físico experimental de Rice, Pengcheng Dai, que encontró la primera evidencia de que el pirocloro de cerio-zirconio era un líquido de espín cuántico. Las muestras del equipo fueron las primeras de su tipo: pirocloros debido a su proporción 2:2:7 de cerio, circonio y oxígeno, y monocristales porque los átomos en su interior estaban dispuestos en una red continua e ininterrumpida. Los experimentos de dispersión de neutrones inelásticos realizados por Dai y sus colegas revelaron una característica líquida del espín cuántico, un continuo de excitaciones de espín medidas a temperaturas tan bajas como 35 milikelvins.

“Se podría argumentar que encontraron al sospechoso y lo acusaron del crimen”, dijo Nevidomskyy. “Nuestro trabajo en esta nueva investigación era probarle al jurado que el sospechoso es culpable”.

Nevidomskyy y sus colegas construyeron su caso utilizando métodos Monte Carlo de última generación, diagonalización exacta y herramientas analíticas para realizar los cálculos de dinámica de espín para un modelo mecánico cuántico existente de pirocloro de cerio y circonio. El estudio fue diseñado por Nevidomskyy y Roderich Moessner de Max Planck, y las simulaciones de Monte Carlo fueron realizadas por Anish Bhardwaj y Hitesh Changlani del estado de Florida, con aportes de Han Yan de Rice y Shu Zhang de Max Plank.

“Se conocía el marco de esta teoría, pero no se conocían los parámetros exactos, de los cuales hay al menos cuatro”, dijo Nevidomskyy. “En diferentes compuestos, estos parámetros pueden tener valores diferentes. Nuestro objetivo era encontrar estos valores para el pirocloro de cerio y determinar si describen un líquido de espín cuántico”.

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Físicos estadounidenses y alemanes han encontrado pruebas de que los cristales de pirocloro de cerio y circonio son “líquidos de espín cuántico octupolar” en los que los momentos magnéticos octupolares (rojo y azul) contribuyen a dividir el magnetismo. Crédito: A. Nevidomskyy/Universidad Rice

“Sería como un experto en balística usando la segunda ley de Newton para calcular la trayectoria de una bala”, dijo. “Se conoce la ley de Newton, pero solo tiene poder predictivo si proporciona las condiciones iniciales, como la masa y la velocidad inicial de la pelota. ¿Estas condiciones iniciales son análogas a estas condiciones dentro de este material de cerio?” y ‘¿Coincide esto con la predicción de este líquido de espín cuántico?'”.

Para construir un caso convincente, los investigadores probaron el modelo contra los resultados termodinámicos, de dispersión de neutrones y de magnetización de estudios experimentales publicados previamente sobre pirocloro de cerio y circonio.

“Si solo tiene una pieza de evidencia, es posible que, sin darse cuenta, encuentre varios modelos que aún coincidan con la descripción”, dijo Nevidomskyy. “En realidad, emparejamos no una, sino tres pruebas diferentes. Por lo tanto, solo un candidato tenía que coincidir con las tres experiencias”.

Algunos estudios han implicado el mismo tipo de fluctuaciones magnéticas cuánticas que se producen en los líquidos de espín cuántico como posible causa de la superconductividad no convencional. Pero Nevidomskyy dijo que los descubrimientos computacionales son principalmente de interés fundamental para los físicos.

“Satisface nuestro deseo innato como físicos de descubrir cómo funciona la naturaleza”, dijo. “No conozco ninguna aplicación que pueda beneficiarse de esto. No está directamente relacionado con la computación cuántica, aunque hay ideas para usar excitaciones divididas como plataforma para qubits lógicos”.

Dijo que de particular interés para los físicos es la conexión profunda entre los líquidos de espín cuántico y la realización experimental de monopolos magnéticos, partículas teóricas cuya existencia potencial aún es debatida por cosmólogos y físicos de alta energía.

“Cuando la gente habla de división, lo que quieren decir es que el sistema se comporta como si una partícula física, como un electrón, se dividiera en dos mitades que caminan y luego se recombinan en algún lugar más tarde”, dijo Nevidomskyy. “Y en los imanes de pirocloro como el que estudiamos, estos objetos errantes se comportan incidentalmente como monopolos magnéticos cuánticos”.

Los monopolos magnéticos se pueden visualizar como polos magnéticos aislados como el polo orientado hacia arriba o hacia abajo de un solo electrón.

“Por supuesto, en la física clásica, nunca se puede aislar solo un extremo de una barra magnética”, dijo. “Los monopolos norte y sur siempre vienen en pares. Pero en la física cuántica, los monopolos magnéticos pueden existir hipotéticamente, y los teóricos cuánticos los construyeron hace casi 100 años para explorar cuestiones fundamentales sobre la mecánica cuántica.

“Hasta donde sabemos, los monopolos magnéticos no existen en forma pura en nuestro universo”, dijo Nevidomskyy. “Pero resulta que existe una versión sofisticada de monopolos en estos líquidos de espín cuántico de pirocloro de cerio. Un solo giro de espín crea dos cuasipartículas divididas llamadas espinones que se comportan como monopolos y vagan por la red cristalina”.

El estudio también encontró evidencia de que se crearon espinones similares a monopolos inusualmente en el pirocloro de cerio-zirconio. Debido a la disposición tetraédrica de los átomos magnéticos en el pirocloro, el estudio sugiere que desarrollan momentos magnéticos octupolares (cuasipartículas magnéticas con forma de espín de ocho polos) a bajas temperaturas. La investigación mostró que los espinones en el material se produjeron tanto a partir de estas fuentes octupolares como de momentos de espín dipolares más convencionales.

“Nuestro modelo estableció las proporciones exactas de las interacciones de estos dos componentes entre sí”, dijo Nevidomskyy. “Esto abre un nuevo capítulo en la comprensión teórica no solo de los materiales de pirocloro de cerio, sino también de los líquidos de espín cuántico octupolar en general”.


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Más información:
Anish Bhardwaj et al, Buscando liquidez exótica de espín cuántico en el imán de pirocloro Ce2Zr2O7, Materiales cuánticos npj (2022). DOI: 10.1038/s41535-022-00458-2

Proporcionado por la Universidad de Rice

Cita: La investigación informática confirma el primer líquido de espín cuántico en 3D (10 de mayo de 2022) Obtenido el 11 de mayo de 2022 de https://phys.org/news/2022-05-sleuthing-3d-quantum-liquid.html

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