Obiecujący kandydat na ciecz o spinie kwantowym może się nie udać

Kwantowe ciecze spinowe (QSL) – materiały, które nie wykazują porządku magnetycznego, nawet w najniższych temperaturach – są powszechnie uważane za ważne poligony doświadczalne w dziedzinie fizyki materii skondensowanej. Charakteryzujące je interakcje elektron-elektron odgrywają kluczową rolę w wysokotemperaturowych „niekonwencjonalnych” nadprzewodnikach, a same QSL mają obiecujące zastosowania w technologiach informatycznych i obliczeniach kwantowych.

Jest tylko jeden problem: bardzo trudno jest udowodnić istnienie takich materiałów, a nowe badania przeprowadzone przez fizyków z Uniwersytetu w Stuttgarcie w Niemczech podają w wątpliwość jednego z bardziej obiecujących kandydatów. Wykorzystując opracowaną przez siebie technikę szerokopasmowego rezonansu spinowego elektronów (ESR), naukowcy zbadali zachowanie spinów elektronów w różnych kierunkach w krysztale w ultraniskich temperaturach. Wyniki pokazały, że kluczowa sygnatura QSL – pozbawione przerw widmo wzbudzeń spinowych elektronów – nie występuje w materiale, który wcześniej uznawano za wysoce prawdopodobny jako QSL.

Przewidywane zachowanie

Nieżyjący już fizyk i laureat Nagrody Nobla Philip W. Anderson zaproponował istnienie QSL na początku lat 1970. XX wieku, badając stan podstawowy antyferromagnetycznie oddziałujących spinów (momentów magnetycznych) w trójkątnej sieci krystalicznej. W tej geometrii dowolne dwa sąsiednie spiny mogą być ustawione w przeciwnych kierunkach, ale trzeci zawsze będzie równoległy do ​​jednego z nich, a nie do drugiego – niezależnie od tego, w którą stronę obrócone zostaną spiny.

Sytuacja ta, znana jako „frustracja geometryczna”, oznacza, że ​​jeden z trzech spinów musi pozostać niesparowany, co powoduje defekt w siatce. Oznacza to również, że materiał o takiej strukturze powinien zachowywać się zupełnie inaczej niż zwykły antyferromagnes, w którym spiny są skierowane naprzemiennie „w górę” i „w dół”.

Mechanika kwantowa rozwiązuje ten (dosłownie) frustrujący problem, sugerując, że orientacja spinów nie jest sztywna. Zamiast tego spiny stale zmieniają kierunek w sposób płynny, tworząc splątany zespół spinów w górę i w dół. Dzięki takiemu zachowaniu materiał o takiej strukturze pozostanie w stanie ciekłym nawet w temperaturach bliskich zera absolutnego, gdzie większość materiałów zamarza w postaci stałej. Kolejną konsekwencją jest to, że swobodnie poruszające się wzbudzenia spinowe, czyli spinony, można uznać za (nienaładowane) analogi elektronów w metalu.

Obiecujący kandydaci

Jak dotąd przedstawiono tylko kilka prawdziwych materiałów jako kandydatów spełniających kryteria Andersona. Obiecującym przykładem jest złożona organiczna sól z przenoszeniem ładunku o wzorze chemicznym k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃. Jednak jego właściwości w stanie podstawowym są zagadkowe, a kilka zaawansowanych technik – w tym metody pomiaru momentu magnetycznego, rotacji spinu mionów (mSR), transportu termicznego, ciepła właściwego i jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) – doprowadziło do sprzecznych wniosków.

Zgodnie z Marcin Dressel, który kierował nowym badaniem, zamieszanie wynika z tego, że pomiar właściwości spinów elektronów w ekstremalnie niskich temperaturach jest tak trudny – zwłaszcza wzdłuż różnych kierunków kryształów i w zmiennych polach magnetycznych. Nowa technika szerokopasmowej spektroskopii ESR opracowana przez niego i jego współpracowników umożliwia takie pomiary, ponieważ jest wrażliwa na wszelkiego rodzaju niesparowane momenty magnetyczne.

Dressel wyjaśnia dalej, że spiny poszczególnych atomów lub cząsteczek mają preferowaną orientację w zewnętrznym polu magnetycznym. Kiedy jego zespół przykłada do badanego materiału zmienne w czasie mikrofalowe pole elektryczne, mikrofale powodują obrót spinów. Rotacja ta powoduje rezonans o częstotliwości i jakości, które dostarczają ważnych informacji na temat lokalnych właściwości spinów.

Pojawiają się luki spinowe

Kiedy fizycy przetestowali swoją technikę na próbce k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃odkryli, że w temperaturze 6 K spiny materiału nie układają się według wzoru góra-dół typowego antyferromagnetyku, ale też nie tworzą stanu dynamicznego przypominającego ciecz. Zamiast tego pary spinów mają różne energie, tworząc „lukę” w widmie wzbudzeń spinowych. Ta przerwa oznacza, że ​​k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ może jednak nie być QSL, mówi Dressel.

Nowe wyniki są zgodne z niedawnymi pomiarami przewodności cieplnej, które wykazały podobną przerwę spinową u innego kandydata na QSL, b′-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂. „Oczekuje się jeszcze większych efektów defektów spinowych w przypadku nieorganicznego kandydata na QSL, herbertsmithite, ZnCu₃(O)₆Cl₂, w którym 5–10% atomów Cu i Zn losowo zamienia się pozycjami w sieci krystalicznej” – mówi współautor badania Andrej Pustogów, który jest teraz na Wiedeński Uniwersytet Technologiczny, Austria.

Kandydat na kwantową ciecz spinową staje się nadprzewodnikiem pod ciśnieniem

Zdaniem badaczy, którzy prezentują swoje wyniki w nauka, takie defekty mogą w rzeczywistości okazać się kluczowe dla niskotemperaturowych właściwości magnetycznych wszystkich kwantowych układów spinowych, którym brakuje porządku magnetycznego. Rzeczywiście, obecnie jest tylko kilku kandydatów na QSL, u których nie udowodniono ponad wszelką wątpliwość luki spinowej, wyjaśniają. Opracowana przez nich szerokopasmowa, niskotemperaturowa spektroskopia ESR „zapewnia wszechstronne narzędzie do rozwiązywania tych i pokrewnych problemów” – piszą.

„Żadnego eksperymentalnego pistoletu do palenia”

Pustogow ostrzega, że ​​ich wyniki nie oznaczają, że spiny w materiałach innych niż QSL nie mogą być wykorzystywane do przesyłania lub przechowywania informacji. Mówi także, że mogą jeszcze pojawić się inne materiały, które pozwolą na realizację prawdziwego QSL. „W tym przypadku trzeba będzie pomyśleć o stłumieniu niepożądanych efektów sprzężenia spin-sieć (w którym tworzą się pary spinów i zniekształca się sieć), które uniemożliwiają ruch wzbudzeń spinowych” – mówi. Świat Fizyki.

Qingming Zhang ukończenia Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie, który nie był zaangażowany w tę pracę, ma nadzieję, że nową technikę można rzeczywiście wykorzystać do badania innych kandydatów na QSL. „Eksperymentalne wielokrotne sprawdzanie QSL jest powszechną i zasadniczo ważną praktyką, ponieważ w przeciwieństwie do nadprzewodników, na tym etapie nie ma jeszcze eksperymentalnego narzędzia do sprawdzania QSL” – mówi.

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