En lovende quantum spin liquid kandidat kan komme til kort

Quantum spin liquids (QSL'er) - materialer, der ikke viser nogen magnetisk orden, selv ved de laveste temperaturer - betragtes bredt som vigtige testlejer for kondenseret stoffysik. Elektron-elektron-interaktionerne, der kendetegner dem, spiller en afgørende rolle i højtemperatur "ukonventionelle" superledere, og QSL'er har selv lovende applikationer inden for informationsteknologi og kvanteberegning.

Der er kun et problem: det er meget svært at bevise, at sådanne materialer eksisterer, og ny forskning udført af fysikere ved universitetet i Stuttgart, Tyskland, har nu sået tvivl om en af ​​de mere lovende kandidater. Ved hjælp af en bredbåndselektron spin resonans (ESR) spektroskopi teknik, de udviklede selv, studerede forskerne opførselen af ​​elektronspin langs forskellige retninger i en krystal ved ultrakolde temperaturer. Deres resultater viste, at en nøgle-QSL-signatur - et gap-frit spektrum af elektronspin-excitationer - er fraværende i et materiale, der tidligere blev betragtet som en stærk mulighed for at være en QSL.

Forudsagt adfærd

Den afdøde fysiker og nobelpristager Philip W Anderson foreslog eksistensen af ​​QSL'er i begyndelsen af ​​1970'erne, mens han studerede grundtilstanden for antiferromagnetisk interagerende spins (magnetiske momenter) i et trekantet krystalgitter. I denne geometri kan alle to tilstødende spins flugte i modsatte retninger, men det tredje vil altid ende parallelt med det ene af dem og ikke det andet - uanset hvilken vej spinsene drejes.

Denne situation, kendt som "geometrisk frustration", indebærer, at et af de tre spin skal forblive uparret, og dermed skabe en defekt i gitteret. Det indebærer også, at et materiale med denne struktur bør opføre sig meget anderledes end en almindelig antiferromagnet, hvor spins peger "op" og "ned" på en skiftende måde.

Kvantemekanik løser dette (bogstaveligt talt) frustrerende problem ved at foreslå, at orienteringen af ​​spins ikke er stiv. I stedet ændrer spinsene konstant retning på en væskelignende måde og danner et sammenfiltret ensemble af spin-ups og spin-downs. Takket være denne adfærd vil et materiale med denne struktur forblive i flydende tilstand selv ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt, hvor de fleste materialer fryser fast. En yderligere konsekvens er, at de frit bevægende spin-excitationer, eller spinoner, kan betragtes som (uladede) analoger til elektroner i et metal.

Lovende kandidater

Indtil videre er kun få rigtige materialer blevet fremlagt som kandidater til at opfylde Andersons kriterier. Et lovende eksempel er et komplekst organisk ladningsoverførselssalt med den kemiske formel k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃. Dens grundtilstandsegenskaber er imidlertid forvirrende, og adskillige avancerede teknikker – herunder metoder, der måler magnetisk drejningsmoment, muonspinrotation (mSR), termisk transport, specifik varme og kernemagnetisk resonans (NMR) – har givet modstridende konklusioner.

Ifølge Martin Dressel, der har ledet det nye studie, opstår forvirringen, fordi det er så udfordrende at måle egenskaberne ved elektronspin ved ekstremt lave temperaturer - især langs forskellige krystalretninger og i variable magnetfelter. Den nye bredbånds-ESR-spektroskopiteknik, som han og hans kolleger udviklede, gør sådanne målinger mulige, fordi den er følsom over for uparrede magnetiske momenter af enhver art.

Dressel fortsætter med at forklare, at individuelle atomers eller molekylers spins har en foretrukken orientering i et eksternt magnetfelt. Når hans team anvender et tidsvarierende elektrisk mikrobølgefelt på materialet, der undersøges, får mikrobølgerne spinnene til at rotere. Denne rotation giver anledning til en resonans med en frekvens og kvalitet, der giver vigtig indsigt i de lokale egenskaber ved spins.

Der opstår spingab

Da fysikerne testede deres teknik på en prøve af k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃, fandt de ud af, at ved 6 K arrangerer materialets spin sig ikke i op-ned-mønsteret af en typisk antiferromagnet - men de danner heller ikke en dynamisk tilstand, der ligner en væske. I stedet har spin-parrene forskellige energier, der danner et "hul" i spektret af spin-excitationer. Dette mellemrum betyder, at k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ er måske ikke en QSL trods alt, siger Dressel.

De nye resultater er i overensstemmelse med nylige termiske ledningsevnemålinger, der indikerede et lignende spingab i en anden QSL-kandidat, b′-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂. "Endnu større spindefekteffekter forventes for den uorganiske QSL-kandidat herbertsmithite, ZnCu₃(Åh)₆Cl₂, hvor 5-10 % af Cu- og Zn-atomer tilfældigt udveksler positioner i krystalgitteret,” siger medforfatter af undersøgelsen Andrej Pustogow, som nu er på Wien University of Technology, Østrig.

Quantum spin væskekandidat bliver en superleder under tryk

Ifølge forskerne, der præsenterer deres resultater i Videnskab, kan sådanne defekter faktisk vise sig at være afgørende for de magnetiske egenskaber ved lav temperatur af alle kvantespinsystemer, der mangler magnetisk orden. Faktisk er der nu kun få QSL-kandidater, hvor et spingab ikke er bevist ud over enhver tvivl, forklarer de. Den bredbånds-lavtemperatur-ESR-spektroskopi, de har udviklet, "giver et alsidigt værktøj til at tackle disse og relaterede problemer", skriver de.

“Ingen eksperimentel rygende pistol”

Pustogow advarer om, at deres resultater ikke betyder, at spins i disse ikke-QSL-materialer ikke kan bruges til at overføre eller gemme information. Han siger også, at der endnu kan dukke andre materialer op, som kan realisere en ægte QSL. "I disse bliver man nødt til at tænke på at undertrykke de uønskede virkninger af spin-gitter-kobling (hvor spin-par dannes, og gitteret forvrænges), som gør bevægelsen af ​​spin-excitationer umulig," siger han. Fysik verden.

Qingming Zhang af Det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, som ikke var involveret i dette arbejde, håber, at den nye teknik faktisk kan bruges til at studere andre QSL-kandidater. "En eksperimentel multi-check for QSL'er er en almindelig og grundlæggende vigtig praksis, da der i modsætning til superledere ikke er nogen eksperimentel rygende pistol til QSL'er på dette stadium," siger han.

Kilde: https://physicsworld.com/a/promising-quantum-spin-liquid-candidate-may-fall-short/