L’investigation numérique confirme l’ordre magnétique de type liquide dans les expériences précédentes – –

Malgré leur nom, les liquides de spin quantique sont des matériaux solides dans lesquels l’intrication quantique et l’arrangement géométrique des atomes contrecarrent la tendance naturelle des électrons à s’arranger magnétiquement les uns avec les autres. La frustration géométrique dans un liquide de spin quantique est si forte que les électrons oscilleront entre les états magnétiques quantiques, quel que soit leur degré de froid.

Les physiciens théoriciens travaillent régulièrement avec des modèles de mécanique quantique manifestant des liquides de spin quantique, mais trouver des preuves convaincantes de leur existence dans des matériaux physiques réels a été un défi pendant des décennies. Alors qu’un certain nombre de matériaux 2D ou 3D ont été suggérés comme possibles liquides de spin quantique, le physicien de l’Université Rice, Andriy Nevidomskyy, a déclaré qu’il n’y avait pas de consensus établi parmi les physiciens sur la qualification de l’un d’entre eux.

Nevidomskyy espère que cela changera, sur la base de l’enquête informatique que lui et ses collègues de Rice, de l’Université d’État de Floride et de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, en Allemagne, ont publiée ce mois-ci dans la revue en libre accès. matériaux quantiques npj.

« Sur la base de toutes les preuves dont nous disposons aujourd’hui, ces travaux confirment que les monocristaux de pyrochlore de cérium identifiés en 2019 comme candidats pour les liquides de spin quantique 3D sont bien des liquides de spin quantique avec des excitations de spin fractionnaires », a-t-il déclaré.

La propriété inhérente des électrons qui donne naissance au magnétisme est le spin. Chaque électron se comporte comme un minuscule barreau magnétique avec des pôles nord et sud, et les spins électroniques individuels pointent toujours vers le haut ou vers le bas lorsqu’ils sont mesurés. Dans la plupart des matériaux de tous les jours, les torsions pointent au hasard vers le haut ou vers le bas. Mais les électrons sont intrinsèquement antisociaux, ce qui peut parfois les amener à organiser leurs spins par rapport à leurs voisins. Par exemple, dans les aimants, les spins sont disposés ensemble dans la même direction, et dans les antiferromagnétiques, ils sont disposés selon un schéma de haut en bas et de haut en bas.

À très basse température, les effets quantiques deviennent plus prononcés, ce qui amène les électrons à organiser leurs spins collectivement dans la plupart des matériaux, même ceux où les spins pointeraient dans des directions aléatoires à température ambiante. Les liquides de spin quantiques sont un contre-exemple, où les spins ne pointent dans aucune direction particulière – pas même vers le haut ou vers le bas – quel que soit le degré de froid du matériau.

« Un liquide de spin quantique est intrinsèquement un exemple d’un état fractionnaire de la matière », a déclaré Nevidomskyy, professeur agrégé de physique et d’astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative et du Rice Center for Quantum Materials (RCQM). . « Les excitations individuelles ne sont pas des retournements de spin de haut en bas ou vice versa. Ce sont ces objets bizarres et délocalisés qui portent un demi-degré de liberté de rotation. C’est comme un demi-tour.

Nevidomskyy faisait partie de l’étude de 2019 dirigée par le physicien expérimental de Rice, Pengcheng Dai, qui a trouvé la première preuve que le pyrochlore de cérium-zirconium était un liquide de spin quantique. Les échantillons de l’équipe étaient les premiers du genre : des pyrochlores en raison de leur rapport de 2 à 2 à 7 de cérium, de zirconium et d’oxygène, et des monocristaux parce que les atomes à l’intérieur étaient disposés dans un réseau continu et ininterrompu. Les expériences de diffusion inélastique des neutrons par Dai et ses collègues ont révélé une caractéristique liquide de spin quantique, un continuum d’excitations de spin mesurées à des températures aussi basses que 35 millikelvins.

« On pourrait dire qu’ils ont trouvé le suspect et l’ont accusé du crime », a déclaré Nevidomskyy. « Notre travail dans ce nouveau procès était de prouver au jury que le suspect est coupable. »

Nevidomskyy et ses collègues ont construit leur cas en utilisant des méthodes Monte Carlo de pointe, une diagonalisation exacte et des outils analytiques pour effectuer les calculs de dynamique de spin pour un modèle de mécanique quantique existant de pyrochlore de cérium-zirconium. L’étude a été conçue par Nevidomskyy et Roderich Moessner de Max Planck, et les simulations de Monte Carlo ont été réalisées par Anish Bhardwaj et Hitesh Changlani de l’État de Floride avec la contribution de Han Yan de Rice et de Shu Zhang de Max Planck.

« Le cadre de cette théorie était connu, mais les paramètres exacts, dont il y en a au moins quatre, ne l’étaient pas », a déclaré Nevidomskyy. « Dans différents composés, ces paramètres pourraient avoir des valeurs différentes. Notre objectif était de trouver ces valeurs pour le pyrochlore de cérium et de déterminer si elles décrivent un liquide de spin quantique.

« Ce serait comme un expert en balistique utilisant la deuxième loi de Newton pour calculer la trajectoire d’une balle », a-t-il déclaré. « La loi de Newton est bien connue, mais elle n’a de pouvoir prédictif que si vous donnez les conditions initiales comme la masse et la vitesse initiale de la balle. Ces conditions initiales sont-elles analogues à ces conditions paramétriques au sein de ce matériau en cérium ? et « Est-ce que cela correspond à la prédiction de ce liquide de spin quantique? »

Pour fournir des preuves convaincantes, les chercheurs ont testé le modèle à l’aide des résultats de thermodynamique, de diffusion des neutrons et de magnétisation d’études expérimentales précédemment publiées avec du pyrochlore de cérium-zirconium.

« Si vous n’avez qu’un seul élément de preuve, vous pourriez accidentellement trouver plusieurs modèles qui correspondent toujours à la description », a déclaré Nevidomskyy. «Nous avons en fait apparié non pas un, mais trois éléments de preuve différents. Ainsi, un seul candidat devait correspondre aux trois expériences.

Certaines études ont impliqué le même type de fluctuations magnétiques quantiques qui se produisent dans les liquides de spin quantique comme une cause possible de supraconductivité non conventionnelle. Mais Nevidomskyy a déclaré que les résultats de calcul sont principalement d’un intérêt fondamental pour les physiciens.

« Cela satisfait notre désir inné en tant que physiciens de comprendre comment fonctionne la nature », a-t-il déclaré. « Je ne connais aucune application qui pourrait en bénéficier. Ce n’est pas directement lié à l’informatique quantique, bien qu’il existe des idées pour utiliser les excitations fractionnaires comme plate-forme pour les qubits logiques.

Il a déclaré qu’un point particulièrement intéressant pour les physiciens est le lien profond entre les liquides de spin quantique et la réalisation expérimentale de monopôles magnétiques, des particules théoriques dont l’existence potentielle est encore débattue par les cosmologistes et les physiciens des hautes énergies.

« Quand les gens parlent de fractionnement, ce qu’ils veulent dire, c’est que le système se comporte comme si une particule physique, comme un électron, se séparait en deux moitiés, qui errent et se réassemblent plus tard quelque part », a déclaré Nevidomskyy. « Et dans les aimants au pyrochlore comme celui que nous avons étudié, ces objets errants se comportent également comme des monopôles magnétiques quantiques. »

Les monopôles magnétiques peuvent être visualisés comme des pôles magnétiques isolés tels que le pôle haut ou bas d’un seul électron.

« Bien sûr, en physique classique, vous ne pouvez jamais isoler une seule extrémité d’un barreau magnétique », a-t-il déclaré. « Les monopoles du nord et du sud viennent toujours par paires. Mais en physique quantique, des monopôles magnétiques peuvent hypothétiquement exister, et les théoriciens quantiques les ont construits il y a près de 100 ans pour étudier les questions fondamentales de la mécanique quantique.

« Pour autant que nous sachions, les monopôles magnétiques n’existent pas sous forme brute dans notre univers », a déclaré Nevidomskyy. « Mais il s’avère qu’il existe une version sophistiquée des monopôles dans ces liquides de spin quantique de pyrochlore de cérium. Un seul retournement de spin crée deux quasi-particules fractionnées, appelées spinons, qui se comportent comme des monopôles et migrent autour du réseau cristallin.

L’étude a également trouvé des preuves que des spinons de type monopôle étaient générés de manière inhabituelle dans le pyrochlore de cérium-zirconium. En raison de la disposition tétraédrique des atomes magnétiques dans le pyrochlore, l’étude suggère qu’ils développent des moments magnétiques octupolaires – des quasiparticules magnétiques de type spin à huit pôles – à basse température. La recherche a montré que des spinons étaient générés dans le matériau à partir de ces sources octupolaires et de moments de spin dipolaires plus conventionnels.

« Notre modélisation a déterminé les proportions exactes des interactions de ces deux composants entre eux », a déclaré Nevidomskyy. « Cela ouvre un nouveau chapitre dans la compréhension théorique non seulement des matériaux de pyrochlore de cérium, mais aussi des liquides de spin quantique octupolaire en général. »

La recherche a été financée par la Division de la recherche sur les matériaux de la National Science Foundation (1917511, 1644779, 2046570, 1742928, 1748958, 1607611), la Welch Foundation (C-1818) et la Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB-1143-247310070, EXC- 2147).-390858490). Les scientifiques remercient le Kavli Institute for Theoretical Physics et le Aspen Center for Physics, où une partie de la recherche a été menée.

Le RCQM s’appuie sur des partenariats mondiaux et sur les forces de plus de 20 groupes de recherche Rice pour répondre aux questions liées aux matériaux quantiques. Le RCQM est soutenu par les bureaux de Rice du prévôt et du vice-recteur à la recherche, la Wiess School of Natural Sciences, la Brown School of Engineering, le Smalley-Curl Institute et les départements de physique et d’astronomie, de génie électrique et informatique et des matériaux. Sciences et nanoingénierie.