Kandidat cairan spin kuantum yang menjanjikan mungkin gagal

Cairan putaran kuantum (QSL) – bahan yang tidak menunjukkan tatanan magnet, bahkan pada suhu terendah – secara luas dianggap sebagai tempat pengujian penting untuk fisika benda terkondensasi. Interaksi elektron-elektron yang menjadi ciri mereka memainkan peran penting dalam superkonduktor “tidak konvensional” suhu tinggi, dan QSL sendiri memiliki aplikasi yang menjanjikan dalam teknologi informasi dan komputasi kuantum.

Hanya ada satu masalah: sangat sulit untuk membuktikan bahwa material semacam itu ada, dan penelitian baru yang dilakukan oleh fisikawan di Universitas Stuttgart, Jerman kini meragukan salah satu kandidat yang lebih menjanjikan. Dengan menggunakan teknik spektroskopi resonansi putaran elektron broadband (ESR) yang mereka kembangkan sendiri, para peneliti mempelajari perilaku putaran elektron sepanjang arah berbeda dalam kristal pada suhu sangat dingin. Hasilnya menunjukkan bahwa tanda kunci QSL – spektrum eksitasi spin elektron bebas celah – tidak ada dalam material yang sebelumnya dianggap kemungkinan besar menjadi QSL.

Perilaku yang diprediksi

Mendiang fisikawan dan peraih Nobel Philip W Anderson mengusulkan keberadaan QSL pada awal tahun 1970-an saat mempelajari keadaan dasar putaran yang berinteraksi secara antiferromagnetik (momen magnet) dalam kisi kristal segitiga. Dalam geometri ini, dua putaran yang bertetangga dapat sejajar dalam arah yang berlawanan, namun putaran ketiga akan selalu sejajar dengan salah satu putaran tersebut dan tidak pada putaran lainnya – tidak peduli ke arah mana putaran tersebut diputar.

Situasi ini, yang dikenal sebagai “frustrasi geometri”, menyiratkan bahwa salah satu dari tiga putaran harus tetap tidak berpasangan, sehingga menimbulkan cacat pada kisi. Hal ini juga menyiratkan bahwa material dengan struktur ini harus berperilaku sangat berbeda dari antiferromagnet biasa yang putarannya mengarah ke atas dan ke bawah secara bergantian.

Mekanika kuantum memecahkan masalah yang (secara harfiah) membuat frustrasi ini dengan menyatakan bahwa orientasi putaran tidak kaku. Sebaliknya, putarannya terus-menerus berubah arah seperti cairan, membentuk rangkaian spin-up dan spin-down yang terjerat. Berkat perilaku ini, material dengan struktur ini akan tetap berada dalam keadaan cair bahkan pada suhu mendekati nol mutlak, dimana sebagian besar material membeku dalam bentuk padat. Konsekuensi lebih lanjut adalah bahwa eksitasi spin yang bergerak bebas, atau spinon, dapat dianggap sebagai analog (tidak bermuatan) dengan elektron dalam logam.

Kandidat yang menjanjikan

Sejauh ini, hanya sedikit material nyata yang diajukan sebagai kandidat yang memenuhi kriteria Anderson. Salah satu contoh yang menjanjikan adalah garam pemindah muatan organik kompleks dengan rumus kimia k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃. Namun, sifat-sifat keadaan dasarnya masih membingungkan, dan beberapa teknik canggih – termasuk metode yang mengukur torsi magnet, rotasi putaran muon (mSR), transpor termal, panas spesifik, dan resonansi magnetik nuklir (NMR) – telah menghasilkan kesimpulan yang bertentangan.

Menurut Martin Dressel, yang memimpin studi baru ini, kebingungan muncul karena sangat sulit mengukur sifat putaran elektron pada suhu yang sangat rendah – terutama di sepanjang arah kristal yang berbeda dan dalam medan magnet yang bervariasi. Teknik spektroskopi ESR broadband baru yang ia dan rekan-rekannya kembangkan memungkinkan pengukuran tersebut karena sensitif terhadap momen magnetik yang tidak berpasangan dalam bentuk apa pun.

Dressel selanjutnya menjelaskan bahwa putaran atom atau molekul individu memiliki orientasi yang lebih disukai dalam medan magnet luar. Ketika timnya menerapkan medan listrik gelombang mikro yang berubah terhadap waktu pada bahan yang diteliti, gelombang mikro menyebabkan putaran berputar. Rotasi ini menimbulkan resonansi dengan frekuensi dan kualitas yang menghasilkan wawasan penting mengenai sifat lokal putaran.

Kesenjangan putaran muncul

Ketika fisikawan menguji teknik mereka pada sampel k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃, mereka menemukan bahwa pada suhu 6 K, putaran material tidak tersusun dalam pola naik-turun seperti antiferromagnet pada umumnya – tetapi juga tidak membentuk keadaan dinamis yang menyerupai cairan. Sebaliknya, pasangan putaran memiliki energi yang berbeda, membentuk “celah” dalam spektrum eksitasi putaran. Kesenjangan ini berarti k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ mungkin bukan QSL, kata Dressel.

Hasil baru ini sejalan dengan pengukuran konduktivitas termal baru-baru ini yang menunjukkan celah putaran serupa pada kandidat QSL lainnya, b′-EtMe.₃Sb[Pd(masuk)₂]₂. “Efek cacat putaran yang lebih besar diperkirakan terjadi pada kandidat herbertsmithite QSL anorganik, ZnCu₃(oh)₆Cl₂, di mana 5-10% atom Cu dan Zn secara acak bertukar posisi dalam kisi kristal,” kata rekan penulis studi Andrej Pustogow, yang sekarang berada di Universitas Teknologi Wina, Austria.

Kandidat cairan putaran kuantum menjadi superkonduktor di bawah tekanan

Menurut para peneliti yang mempresentasikan hasilnya di Ilmu, cacat seperti itu mungkin terbukti penting bagi sifat magnetik suhu rendah dari semua sistem putaran kuantum yang tidak memiliki keteraturan magnetik. Memang benar, saat ini hanya ada beberapa kandidat QSL yang spin gap-nya belum terbukti, jelas mereka. Spektroskopi ESR suhu rendah broadband yang mereka kembangkan “menyediakan alat serbaguna untuk mengatasi masalah ini dan masalah terkait”, tulis mereka.

“Tidak ada senjata api eksperimental”

Pustogow memperingatkan bahwa hasil penelitian ini tidak berarti bahwa putaran pada bahan non-QSL ini tidak dapat digunakan untuk mentransfer atau menyimpan informasi. Ia juga mengatakan bahwa materi lain mungkin akan muncul yang dapat mewujudkan QSL yang sebenarnya. “Dalam hal ini, kita harus berpikir untuk menekan efek yang tidak diinginkan dari kopling spin-kisi (di mana pasangan spin terbentuk dan kisi terdistorsi) yang membuat pergerakan eksitasi spin menjadi tidak mungkin,” katanya. Dunia Fisika.

Qingming Zhang dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok di Beijing, yang tidak terlibat dalam pekerjaan ini, berharap teknik baru ini dapat digunakan untuk mempelajari kandidat QSL lainnya. “Pemeriksaan ganda eksperimental untuk QSL adalah praktik yang umum dan penting secara fundamental, karena tidak seperti superkonduktor, tidak ada senjata eksperimental untuk QSL pada tahap ini,” katanya.

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