Перспективний квантовий спіновий рідкий кандидат може не досягти

Квантові спінові рідини (QSL) – матеріали, які не демонструють магнітного порядку навіть за найнижчих температур – широко вважаються важливими тестовими стендами для фізики конденсованих середовищ. Електрон-електронні взаємодії, які їх характеризують, відіграють життєво важливу роль у високотемпературних «нетрадиційних» надпровідниках, а самі QSL мають перспективні застосування в інформаційних технологіях і квантових обчисленнях.

Є лише одна проблема: дуже важко довести, що такі матеріали існують, і нове дослідження фізиків з Університету Штутгарта, Німеччина, поставило під сумнів одного з найбільш перспективних кандидатів. Використовуючи техніку спектроскопії широкосмугового електронного спінового резонансу (ESR), яку вони самі розробили, дослідники вивчали поведінку електронних спінів у різних напрямках у кристалі при ультранизьких температурах. Їхні результати показали, що ключовий QSL-підпис – безщілинний спектр збуджень електронного спіну – відсутній у матеріалі, який раніше вважався дуже ймовірним QSL.

Прогнозована поведінка

Покійний фізик і лауреат Нобелівської премії Філіп Андерсон припустив існування QSL на початку 1970-х років під час вивчення основного стану антиферомагнітно взаємодіючих спінів (магнітних моментів) у трикутній кристалічній решітці. У цій геометрії будь-які два сусідніх спіни можуть вирівнюватися в протилежних напрямках, але третій завжди буде паралельним одному з них, а не іншому – незалежно від того, в який бік спини повернуті.

Ця ситуація, відома як «геометрична фрустрація», передбачає, що один із трьох спінів повинен залишатися неспареним, і таким чином створювати дефект у решітці. Це також означає, що матеріал із такою структурою повинен поводитися зовсім інакше, ніж звичайний антиферомагнетик, у якому обертання спрямоване «вгору» та «вниз» по черзі.

Квантова механіка вирішує цю (буквально) неприємну проблему, припускаючи, що орієнтація обертів не є жорсткою. Натомість обертання постійно плавно змінюють напрямок, утворюючи заплутаний ансамбль поворотів і спадів. Завдяки такій поведінці матеріал із такою структурою залишатиметься в рідкому стані навіть при температурах, близьких до абсолютного нуля, коли більшість матеріалів замерзають. Подальшим наслідком є ​​те, що вільно рухомі спінові збудження, або спінони, можна розглядати як (незаряджені) аналоги електронів у металі.

Перспективні кандидати

Поки що лише кілька реальних матеріалів були висунуті як кандидати на відповідність критеріям Андерсона. Одним із багатообіцяючих прикладів є складна органічна сіль із перенесенням заряду з хімічною формулою k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃. Однак його властивості в основному стані викликають здивування, і кілька передових методів, включаючи методи вимірювання магнітного крутного моменту, обертання обертання мюонів (mSR), теплового транспорту, питомої теплоємності та ядерного магнітного резонансу (ЯМР), дали суперечливі висновки.

За оцінками Мартін Дрессель, який очолював нове дослідження, плутанина виникає через те, що дуже складно виміряти властивості спінів електронів при надзвичайно низьких температурах, особливо вздовж різних напрямків кристалів і в змінних магнітних полях. Нова техніка широкосмугової спектроскопії ESR, яку він і його колеги розробили, робить такі вимірювання можливими, оскільки вона чутлива до неспарених магнітних моментів будь-якого типу.

Далі Дрессель пояснює, що спіни окремих атомів або молекул мають переважну орієнтацію в зовнішньому магнітному полі. Коли його команда прикладає змінне в часі мікрохвильове електричне поле до досліджуваного матеріалу, мікрохвилі викликають обертання обертів. Це обертання викликає резонанс із частотою та якістю, які дають важливе розуміння локальних властивостей обертів.

Виникають спінові розриви

Коли фізики випробували свою техніку на зразку k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃, вони виявили, що при 6 К спіни матеріалу не розташовуються за схемою вгору-вниз типового антиферомагнетика, але вони також не утворюють динамічний стан, схожий на рідину. Натомість пари спінів мають різну енергію, утворюючи «розрив» у спектрі спінових збуджень. Цей розрив означає, що k-(BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ все-таки може бути не QSL, каже Дрессел.

Нові результати узгоджуються з нещодавніми вимірюваннями теплопровідності, які показали подібний спіновий зазор в іншому кандидаті на QSL, b′-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂. «Очікується, що для неорганічного Гербертсмітиту, кандидата на QSL, ZnCu, очікуються ще більші ефекти спінового дефекту.₃(OH)₆Cl₂, в якому 5-10% атомів Cu і Zn випадковим чином міняються позиціями в кристалічній решітці», – говорить співавтор дослідження. Андрій Пустогов, який зараз перебуває в Віденський технологічний університет, Австрія.

Квантова спінова рідина-кандидат стає надпровідником під тиском

За словами дослідників, які представляють свої результати в наука, такі дефекти можуть насправді виявитися вирішальними для низькотемпературних магнітних властивостей усіх квантових спінових систем, які не мають магнітного порядку. Дійсно, зараз є лише кілька кандидатів на QSL, у яких спін-геп не був доведений без сумніву, пояснюють вони. Вони пишуть, що розроблена ними широкосмугова низькотемпературна спектроскопія ESR «забезпечує універсальний інструмент для вирішення цих та пов’язаних з ними проблем».

«Жодної експериментальної димлячої зброї»

Пустогов попереджає, що їхні результати не означають, що спіни в цих не QSL-матеріалах не можна використовувати для передачі або зберігання інформації. Він також каже, що ще можуть з’явитися інші матеріали, які можуть реалізувати справжній QSL. «У них доведеться подумати про придушення небажаних ефектів спін-ґраткового зв’язку (при якому утворюються спінові пари та решітка спотворюється), які роблять неможливим рух спінових збуджень», — розповідає він. Світ фізики.

Цінмін Чжан в Академія наук Китаю в Пекіні, який не брав участі в цій роботі, сподівається, що нову техніку дійсно можна буде використати для вивчення інших кандидатів на QSL. «Експериментальна багаторазова перевірка QSL — це поширена і принципово важлива практика, оскільки, на відміну від надпровідників, на даному етапі не існує експериментального «димку» для QSL», — говорить він.

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