La investigación computacional confirma el primer líquido de espín cuántico en 3D

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El trabajo de detective computacional realizado por físicos estadounidenses y alemanes ha confirmado que el pirocloro de cerio y circonio es un líquido de espín cuántico tridimensional.

A pesar del nombre, los líquidos de espín cuántico son materiales sólidos en los que el entrelazamiento cuántico y la disposición geométrica de los átomos frustran la tendencia natural de los electrones a ordenarse magnéticamente entre sí. La frustración geométrica en un líquido de espín cuántico es tan severa que los electrones fluctúan entre estados magnéticos cuánticos sin importar cuán fríos se vuelvan.

Los físicos teóricos trabajan habitualmente con modelos mecánicos cuánticos que manifiestan líquidos de espín cuántico, pero encontrar evidencia convincente de que existen en materiales físicos reales ha sido un desafío de décadas. Si bien se han propuesto varios materiales 2D o 3D como posibles líquidos de espín cuántico, el físico Andriy Nevidomskyy de la Universidad de Rice dijo que no existe un consenso establecido entre los físicos de que alguno de ellos califique.

Nevidomskyy espera que eso cambie en función de la investigación computacional que él y sus colegas de Rice, Florida State University y el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, publicaron este mes en la revista de acceso abierto npj Quantum Materials.

“Con base en toda la evidencia que tenemos hoy, este trabajo confirma que los cristales individuales del pirocloro de cerio identificados como candidatos a líquidos de espín cuántico 3D en 2019 son de hecho líquidos de espín cuántico con excitaciones de espín fraccionadas”, dijo.

La propiedad inherente de los electrones que conduce al magnetismo es el giro. Cada electrón se comporta como una diminuta barra magnética con polos norte y sur, y cuando se miden, los espines individuales de los electrones siempre apuntan hacia arriba o hacia abajo. En la mayoría de los materiales cotidianos, los giros apuntan hacia arriba o hacia abajo al azar. Pero los electrones son antisociales por naturaleza, y esto puede hacer que organicen sus espines en relación con sus vecinos en algunas circunstancias. En los imanes, por ejemplo, los espines se organizan colectivamente en la misma dirección, y en los antiferromagnetos se organizan en un patrón de arriba hacia abajo y de arriba hacia abajo.

A temperaturas muy bajas, los efectos cuánticos se vuelven más prominentes y esto hace que los electrones organicen sus espines colectivamente en la mayoría de los materiales, incluso en aquellos en los que los espines apuntarían en direcciones aleatorias a temperatura ambiente. Los líquidos de giro cuántico son un contraejemplo en el que los giros no apuntan en una dirección definida, ni siquiera hacia arriba o hacia abajo, sin importar cuán frío se vuelva el material.

“Un líquido de espín cuántico, por su propia naturaleza, es un ejemplo de un estado fraccionado de la materia”, dijo Nevidomskyy, profesor asociado de física y astronomía y miembro de la Iniciativa Rice Quantum y del Centro Rice para Materiales Cuánticos (RCQM). . “Las excitaciones individuales no son giros de arriba hacia abajo o viceversa. Son estos objetos extraños y deslocalizados que tienen la mitad de un grado de libertad de giro. Es como la mitad de un giro”.

Nevidomskyy fue parte del estudio de 2019 dirigido por el físico experimental de Rice, Pengcheng Dai, que encontró la primera evidencia de que el pirocloro de cerio y circonio era un líquido de espín cuántico. Las muestras del equipo fueron las primeras de su tipo: pirocloros debido a su proporción de 2 a 2 a 7 de cerio, circonio y oxígeno, y monocristales porque los átomos en su interior estaban dispuestos en una red continua e ininterrumpida. Los experimentos de dispersión de neutrones inelásticos realizados por Dai y sus colegas revelaron un sello distintivo líquido de espín cuántico, un continuo de excitaciones de espín medidas a temperaturas tan bajas como 35 milikelvin.

“Se podría argumentar que encontraron al sospechoso y lo acusaron del crimen”, dijo Nevidomskyy. “Nuestro trabajo en este nuevo estudio fue demostrarle al jurado que el sospechoso es culpable”.

Nevidomskyy y sus colegas construyeron su caso utilizando métodos Monte Carlo de última generación, diagonalización exacta y herramientas analíticas para realizar los cálculos de dinámica de espín para un modelo mecánico cuántico existente de pirocloro de cerio y circonio. El estudio fue concebido por Nevidomskyy y Roderich Moessner de Max Planck, y las simulaciones de Monte Carlo fueron realizadas por Anish Bhardwaj y Hitesh Changlani de Florida State con contribuciones de Han Yan de Rice y Shu Zhang de Max Planck.

“Se conocía el marco de esta teoría, pero no se conocían los parámetros exactos, de los cuales hay al menos cuatro”, dijo Nevidomskyy. “En diferentes compuestos, estos parámetros podrían tener diferentes valores. Nuestro objetivo era encontrar esos valores para el pirocloro de cerio y determinar si describen un líquido de espín cuántico.

“Sería como un experto en balística que usa la segunda ley de Newton para calcular la trayectoria de una bala”, dijo. “La ley de Newton se conoce, pero solo tiene poder predictivo si proporciona las condiciones iniciales, como la masa y la velocidad inicial de la bala. Esas condiciones iniciales son análogas a estos parámetros. Tuvimos que aplicar ingeniería inversa, o averiguar, ‘¿Cuáles son esos condiciones dentro de este material de cerio?’ y, ‘¿Coincide eso con la predicción de este líquido de espín cuántico?'”.

Para construir un caso convincente, los investigadores probaron el modelo contra los resultados termodinámicos, de dispersión de neutrones y de magnetización de estudios experimentales publicados previamente sobre pirocloro de cerio y circonio.

“Si solo tiene una pieza de evidencia, sin darse cuenta puede encontrar varios modelos que aún se ajustan a la descripción”, dijo Nevidomskyy. “En realidad, emparejamos no una, sino tres pruebas diferentes. Por lo tanto, un solo candidato tenía que coincidir con los tres experimentos”.

Algunos estudios han implicado el mismo tipo de fluctuaciones magnéticas cuánticas que surgen en los líquidos de espín cuántico como una posible causa de la superconductividad no convencional. Pero Nevidomskyy dijo que los hallazgos computacionales son principalmente de interés fundamental para los físicos.

“Esto satisface nuestro deseo innato, como físicos, de descubrir cómo funciona la naturaleza”, dijo. “No conozco ninguna aplicación que pueda beneficiarse. No está directamente vinculada a la computación cuántica, aunque existen ideas para usar excitaciones fraccionadas como plataforma para qubits lógicos”.

Dijo que un punto particularmente interesante para los físicos es la profunda conexión entre los líquidos de espín cuántico y la realización experimental de monopolos magnéticos, partículas teóricas cuya existencia potencial aún es debatida por cosmólogos y físicos de alta energía.

“Cuando la gente habla de fraccionamiento, lo que quieren decir es que el sistema se comporta como si una partícula física, como un electrón, se dividiera en dos mitades que vagan y luego se recombinan en algún lugar más tarde”, dijo Nevidomskyy. “Y en los imanes de pirocloro como el que estudiamos, estos objetos errantes además se comportan como monopolos magnéticos cuánticos”.

Los monopolos magnéticos se pueden visualizar como polos magnéticos aislados como el polo orientado hacia arriba o hacia abajo de un solo electrón.

“Por supuesto, en la física clásica nunca se puede aislar solo un extremo de una barra magnética”, dijo. “Los monopolos norte y sur siempre vienen en pares. Pero en la física cuántica, los monopolos magnéticos pueden existir hipotéticamente, y los teóricos cuánticos los construyeron hace casi 100 años para explorar cuestiones fundamentales sobre la mecánica cuántica.

“Hasta donde sabemos, los monopolos magnéticos no existen en forma pura en nuestro universo”, dijo Nevidomskyy. “Pero resulta que existe una versión elegante de monopolos en estos líquidos de espín cuántico de pirocloro de cerio. Un solo cambio de espín crea dos cuasipartículas fraccionadas llamadas espinones que se comportan como monopolos y vagan por la red cristalina”.

El estudio también encontró evidencia de que se crearon espinones similares a monopolos de una manera inusual en pirocloro de cerio y circonio. Debido a la disposición tetraédrica de los átomos magnéticos en el pirocloro, el estudio sugiere que desarrollan momentos magnéticos octupolares (cuasipartículas magnéticas similares a espines con ocho polos) a bajas temperaturas. La investigación mostró que los espinones en el material se produjeron tanto a partir de estas fuentes octupolares como de momentos de espín dipolares más convencionales.

“Nuestro modelo estableció las proporciones exactas de las interacciones de estos dos componentes entre sí”, dijo Nevidomskyy. “Abre un nuevo capítulo en la comprensión teórica no solo de los materiales de pirocloro de cerio, sino también de los líquidos de espín cuántico octupolar en general”.

La investigación fue financiada por la División de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias (1917511, 1644779, 2046570, 1742928, 1748958, 1607611), la Fundación Welch (C-1818) y la Fundación Alemana de Investigación (SFB-1143-247310070, EXC-2147 -390858490). Los científicos agradecen al Instituto Kavli de Física Teórica y al Centro de Física de Aspen, donde se realizó una parte de la investigación.

RCQM aprovecha las asociaciones globales y las fortalezas de más de 20 grupos de investigación de Rice para abordar cuestiones relacionadas con los materiales cuánticos. RCQM cuenta con el apoyo de las oficinas del rector y vicerrector de investigación de Rice, la Escuela de Ciencias Naturales Wiess, la Escuela de Ingeniería Brown, el Instituto Smalley-Curl y los departamentos de Física y Astronomía, Ingeniería Eléctrica e Informática y Ciencia de los Materiales. y Nanoingeniería.

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