Многообещающий кандидат в квантовую спиновую жидкость может не оправдать ожиданий

Квантовые спиновые жидкости (КСЛ) - материалы, не демонстрирующие магнитного порядка даже при самых низких температурах - широко считаются важными испытательными площадками для физики конденсированных сред. Характерные для них электрон-электронные взаимодействия играют жизненно важную роль в высокотемпературных «нетрадиционных» сверхпроводниках, а сами QSL имеют многообещающие применения в информационных технологиях и квантовых вычислениях.

Есть только одна проблема: очень трудно доказать, что такие материалы существуют, и новое исследование физиков из Штутгартского университета в Германии теперь поставило под сомнение одного из наиболее многообещающих кандидатов. Используя метод спектроскопии широкополосного электронного спинового резонанса (ЭПР), который они разработали сами, исследователи изучили поведение электронных спинов в разных направлениях в кристалле при ультрахолодных температурах. Их результаты показали, что ключевой признак QSL - бесщелевой спектр электронных спиновых возбуждений - отсутствует в материале, который ранее считался весьма вероятным для QSL.

Прогнозируемое поведение

Покойный физик и лауреат Нобелевской премии Филип Андерсон предположил существование КСЛ в начале 1970-х годов, изучая основное состояние антиферромагнитно взаимодействующих спинов (магнитных моментов) в треугольной кристаллической решетке. В этой геометрии любые два соседних спина могут выровняться в противоположных направлениях, но третий всегда будет в конечном итоге параллелен одному из них, а не другому - независимо от того, в какую сторону поворачиваются вращения.

Эта ситуация, известная как «геометрическое разочарование», подразумевает, что один из трех спинов должен оставаться неспаренным и, таким образом, создавать дефект в решетке. Это также означает, что материал с такой структурой должен вести себя совершенно иначе, чем обычный антиферромагнетик, в котором точки вращения чередуются «вверх» и «вниз».

Квантовая механика решает эту (буквально) неприятную проблему, предполагая, что ориентация спинов не является жесткой. Вместо этого вращения постоянно меняют направление текучим образом, образуя запутанный ансамбль взлетов и падений. Благодаря такому поведению материал с такой структурой будет оставаться в жидком состоянии даже при температурах, близких к абсолютному нулю, когда большинство материалов замерзают в твердом состоянии. Еще одно следствие состоит в том, что свободно движущиеся спиновые возбуждения или спиноны можно рассматривать как (незаряженные) аналоги электронов в металле.

Перспективные кандидаты

Пока что лишь несколько реальных материалов были выдвинуты в качестве кандидатов на соответствие критериям Андерсона. Одним из многообещающих примеров является сложная органическая соль с переносом заряда с химической формулой k- (BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃. Однако его свойства в основном состоянии озадачивают, и несколько передовых методов, включая методы измерения магнитного момента, вращения спина мюона (mSR), теплопереноса, теплоемкости и ядерного магнитного резонанса (ЯМР), привели к противоречивым выводам.

По Мартин Дрессел, который возглавлял новое исследование, путаница возникает из-за того, что очень сложно измерить свойства электронных спинов при чрезвычайно низких температурах, особенно вдоль различных направлений кристаллов и в переменных магнитных полях. Новый метод широкополосной спектроскопии ЭПР, разработанный им и его коллегами, делает такие измерения возможными, поскольку он чувствителен к неспаренным магнитным моментам любого типа.

Дрессел продолжает объяснять, что спины отдельных атомов или молекул имеют предпочтительную ориентацию во внешнем магнитном поле. Когда его команда прикладывает изменяющееся во времени микроволновое электрическое поле к исследуемому материалу, микроволны вызывают вращение спинов. Это вращение вызывает резонанс с частотой и качеством, которые дают важные сведения о локальных свойствах спинов.

Возникают спиновые промежутки

Когда физики опробовали свою технику на образце k- (BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃, они обнаружили, что при 6 К спины материала не выстраиваются по схеме «вверх-вниз» типичного антиферромагнетика - но и не образуют динамического состояния, напоминающего жидкость. Вместо этого пары спинов имеют разные энергии, образуя «щель» в спектре спиновых возбуждений. Этот пробел означает, что k- (BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ В конце концов, возможно, это не QSL, - говорит Дрессел.

Новые результаты согласуются с недавними измерениями теплопроводности, которые показали аналогичную спиновую щель у другого кандидата в QSL, b′-EtMe.₃Sb [Pd (dmit)₂]₂. «Еще более сильные эффекты спиновых дефектов ожидаются для неорганического кандидата в QSL гербертсмитита, ZnCu.₃(ОЙ)₆Cl₂, в котором 5-10% атомов Cu и Zn случайным образом обмениваются позициями в кристаллической решетке », - говорит соавтор исследования. Андрей Пустогов, кто сейчас на Венский технологический университетАвстрия.

Кандидат в квантовую спиновую жидкость становится сверхпроводником под давлением

По словам исследователей, которые представляют свои результаты в Наукатакие дефекты могут фактически оказаться решающими для низкотемпературных магнитных свойств всех квантовых спиновых систем, в которых отсутствует магнитный порядок. Действительно, сейчас есть только несколько кандидатов в QSL, в которых спиновая щель не доказана вне всяких сомнений, объясняют они. Они пишут, что разработанная ими широкополосная низкотемпературная спектроскопия ЭПР «предоставляет универсальный инструмент для решения этих и связанных с ними проблем».

«Никакого экспериментального дымящегося пистолета»

Пустогоу предупреждает, что их результаты не означают, что спины в этих материалах, не относящихся к QSL, не могут использоваться для передачи или хранения информации. Он также говорит, что еще могут появиться другие материалы, которые могут реализовать истинный QSL. «В этом случае нужно будет подумать о подавлении нежелательных эффектов спин-решеточного взаимодействия (при котором образуются спиновые пары и решетка искажается), которые делают движение спиновых возбуждений невозможным», - говорит он. Мир физики.

Цинмин Чжан Китайская академия наук в Пекине, который не принимал участия в этой работе, надеется, что новую технику действительно можно будет использовать для изучения других QSL-кандидатов. «Экспериментальная многократная проверка QSL - это обычная и принципиально важная практика, поскольку, в отличие от сверхпроводников, на данном этапе нет экспериментального дымового пистолета для QSL», - говорит он.

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