Dreigleisiger Ansatz untersucht Eigenschaften von Quantenspinflüssigkeiten

Im Jahr 1973 stellte der Physiker Phil Anderson die Hypothese auf, dass der Quanten-Spin-Flüssigkeits- oder QSL-Zustand auf einigen Dreiecksgittern existierte, aber ihm fehlten die Werkzeuge, um tiefer einzutauchen. Fünfzig Jahre später hat ein Team unter der Leitung von Forschern des Quantum Science Center mit Sitz im Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums das Vorhandensein von QSL-Verhalten in einem neuen Material mit dieser Struktur, KYbSe2, bestätigt.

QSLs – ein ungewöhnlicher Materiezustand, der durch Wechselwirkungen zwischen verschränkten oder intrinsisch verbundenen magnetischen Atomen, sogenannten Spins, gesteuert wird – zeichnen sich durch die Stabilisierung der quantenmechanischen Aktivität in KYbSe2 und anderen Delafossiten aus. Diese Materialien werden wegen ihrer geschichteten Dreiecksgitter und vielversprechenden Eigenschaften geschätzt, die zum Bau hochwertiger Supraleiter und Quantencomputerkomponenten beitragen könnten.

Das Papier, veröffentlicht In Naturphysik, stellt Forscher des ORNL vor; Lawrence Berkeley National Laboratory; Los Alamos National Laboratory; SLAC National Accelerator Laboratory; die University of Tennessee, Knoxville; die University of Missouri; die University of Minnesota; Universität in Stanford; und das Rosario Physics Institute.

„Forscher haben das Dreiecksgitter verschiedener Materialien auf der Suche nach QSL-Verhalten untersucht“, sagte QSC-Mitglied und Hauptautor Allen Scheie, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Los Alamos. „Ein Vorteil davon ist, dass wir Atome leicht austauschen können, um die Eigenschaften des Materials zu verändern, ohne seine Struktur zu verändern, und das macht es aus wissenschaftlicher Sicht ziemlich ideal.“

Mithilfe einer Kombination aus theoretischen, experimentellen und rechnerischen Techniken beobachtete das Team mehrere Merkmale von QSLs: Quantenverschränkung, exotische Quasiteilchen und das richtige Gleichgewicht der Austauschwechselwirkungen, die steuern, wie ein Spin seine Nachbarn beeinflusst. Obwohl Bemühungen zur Identifizierung dieser Merkmale in der Vergangenheit durch die Einschränkungen physikalischer Experimente behindert wurden, können moderne Neutronenstreuinstrumente genaue Messungen komplexer Materialien auf atomarer Ebene durchführen.

Durch die Untersuchung der Spindynamik von KYbSe2 mit dem Cold Neutron Chopper Spectrometer an der Spallation Neutron Source des ORNL – einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science – und den Vergleich der Ergebnisse mit vertrauenswürdigen theoretischen Modellen fanden die Forscher Hinweise darauf, dass sich das Material nahe dem quantenkritischen Punkt befand, an dem sich das Material befand QSL-Eigenschaften gedeihen. Anschließend analysierten sie den magnetischen Einzelionenzustand mit dem Wide-Angular-Range Chopper Spectrometer von SNS.

Bei den fraglichen Zeugen handelt es sich um die Ein-Tangle-, Zwei-Tangle- und Quanten-Fisher-Informationen, die in früheren QSC-Forschungen, die sich auf die Untersuchung einer eindimensionalen Spinkette oder einer einzelnen Spinlinie innerhalb eines Materials konzentrierten, eine Schlüsselrolle gespielt haben. KYbSe2 ist ein 2D-System, eine Eigenschaft, die diese Bemühungen komplexer machte.

„Wir verfolgen einen Co-Design-Ansatz, der fest im QSC verankert ist“, sagte Alan Tennant, Professor für Physik und Materialwissenschaft und -technik an der UTK, der ein Quantenmagnetprojekt für das QSC leitet. „Theoretiker im Zentrum berechnen Dinge, die sie vorher nicht berechnen konnten, und diese Überschneidung zwischen Theorie und Experiment ermöglichte diesen Durchbruch in der QSL-Forschung.“

Diese Studie steht im Einklang mit den Prioritäten des QSC, zu denen die Verknüpfung der Grundlagenforschung mit Quantenelektronik, Quantenmagneten und anderen aktuellen und zukünftigen Quantengeräten gehört.

„Ein besseres Verständnis von QSLs zu erlangen ist wirklich wichtig für die Entwicklung von Technologien der nächsten Generation“, sagte Tennant. „Dieser Bereich befindet sich noch im Stadium der Grundlagenforschung, aber wir können jetzt identifizieren, welche Materialien wir modifizieren können, um möglicherweise kleine Geräte von Grund auf herzustellen.“

Obwohl KYbSe2 kein echtes QSL ist, bedeutet die Tatsache, dass etwa 85 % des Magnetismus bei niedrigen Temperaturen schwankt, dass es das Potenzial hat, eines zu werden. Die Forscher gehen davon aus, dass geringfügige Änderungen an seiner Struktur oder die Einwirkung von äußerem Druck möglicherweise dazu beitragen könnten, 100 % zu erreichen.

QSC-Experimentatoren und Computerwissenschaftler planen parallele Studien und Simulationen, die sich auf Delafossit-Materialien konzentrieren. Die Ergebnisse der Forscher haben jedoch ein beispielloses Protokoll etabliert, das auch zur Untersuchung anderer Systeme angewendet werden kann. Durch die Optimierung evidenzbasierter Bewertungen von QSL-Kandidaten wollen sie die Suche nach echten QSL-Kandidaten beschleunigen.

„Das Wichtige an diesem Material ist, dass wir einen Weg gefunden haben, uns sozusagen an der Landkarte zu orientieren und zu zeigen, was wir richtig gemacht haben“, sagte Scheie. „Wir sind ziemlich sicher, dass es irgendwo in diesem chemischen Raum eine vollständige QSL gibt, und jetzt wissen wir, wie wir sie finden können.“