计算侦查证实了第一个3D量子自旋液体

　　2019年在热石铈锆的单晶样品中观察到的自旋激发连续体的3D表示量子自旋液体的可能标志。图片来源：陈彤莱斯大学
　　美国和德国物理学家的计算侦探工作证实，烧绿石铈锆是一种3D量子自旋液体。
　　尽管有这个名字，量子自旋液体是固体材料，其中量子纠缠和原子的几何排列挫败了电子相互之间磁性排序的自然趋势。量子自旋液体中的几何挫折是如此严重，以至于电子无论变得多么冷，都会在量子磁态之间波动。
　　理论物理学家经常使用量子力学模型来表现量子自旋液体，但找到令人信服的证据来证明它们存在于实际的物理材料中一直是一个长达数十年的挑战。虽然许多2D或3D材料已被提议作为可能的量子自旋液体，但莱斯大学物理学家AndriyNevidomskyy表示，物理学家之间没有建立共识，认为它们中的任何一个都符合条件。
　　Nevidomskyy希望根据他和来自佛罗里达州立大学赖斯，佛罗里达州立大学和德国德累斯顿马克斯普朗克复杂系统物理研究所的同事本月在开放获取期刊npjQuantumMaterials上发表的计算侦查来改变这一变化。
　　根据我们今天拥有的所有证据，这项工作证实，在2019年被确定为候选3D量子自旋液体的焦解铈的单晶确实是具有分馏自旋激发的量子自旋液体，他说。
　　导致磁性的电子的固有特性是自旋。每个电子的行为就像一个带有北极和南极的微小条形磁铁，当测量时，单个电子自旋总是指向上方或下方。在大多数日常材料中，旋转随机向上或向下指向。但电子本质上是反社会的，这可能导致它们在某些情况下相对于邻居安排自旋。例如，在磁铁中，自旋共同排列在同一方向上，而在反铁磁体中，它们以上下，上下模式排列。
　　在非常低的温度下，量子效应变得更加突出，这导致电子在大多数材料中集体排列它们的自旋，即使是那些在室温下自旋指向随机方向的材料。量子自旋液体是一个反例，其中自旋不指向一个确定的方向甚至向上或向下无论材料变得多么冷。
　　量子自旋液体，就其本质而言，是物质分数化状态的一个例子，物理学和天文学副教授Nevidomskyy说，他是莱斯量子计划和莱斯量子材料中心（RCQM）的成员。单个激励不是从上到下的自旋翻转，反之亦然。它们是这些奇怪的，离域的物体，携带一个旋转自由度的一半。这就像旋转了一半。
　　Nevidomskyy是2019年由莱斯实验物理学家PengchengDai领导的研究的一部分，该研究发现了第一个证据表明铈锆焦桃体是一种量子自旋液体。该团队的样品是同类样品中的第一个：焦氯，因为它们的铈，锆和氧的比例为2比2比7，单晶，因为内部的原子排列在连续的，不间断的晶格中。Dai及其同事的非弹性中子散射实验揭示了量子自旋液体标志，这是在低至35毫开尔文的温度下测量的自旋激发的连续体。
　　你可以争辩说他们找到了嫌疑人并指控他犯罪，Nevidomskyy说。我们在这项新研究中的工作是向陪审团证明嫌疑人有罪。
　　Nevidomskyy及其同事使用最先进的蒙特卡洛方法，精确对角化以及分析工具构建了他们的案例，以对现有的铈锆焦石模型执行自旋动力学计算。该研究由Nevidomskyy和MaxPlanck的RoderichMoessner构思，MonteCarlo模拟由佛罗里达州的AnishBhardwaj和HiteshChanglani进行，Rice的HanYan和MaxPlanck的ShuZhang做出了贡献。
　　这个理论的框架是已知的，但确切的参数，其中至少有四个，不是，Nevidomskyy说。在不同的化合物中，这些参数可能具有不同的值。我们的目标是找到烧绿石铈的这些值，并确定它们是否描述了量子自旋液体。
　　美国和德国物理学家发现证据表明，焦铬铬晶体是八极量子自旋液体，其中八极磁矩（红色和蓝色）有助于分馏磁性。图片来源：A。NevidomskyyRiceUniversity
　　这就像一个弹道学专家使用牛顿第二定律来计算子弹的轨迹，他说。牛顿定律是已知的，但只有当你提供子弹的质量和初始速度等初始条件时，它才具有预测能力。这些初始条件类似于这些参数。我们不得不进行逆向工程或侦查，这种铈材料内部的初始条件是什么？以及这与这种量子自旋液体的预测相符吗？
　　为了建立一个令人信服的案例，研究人员根据先前发表的热力学，中子散射和磁化结果测试了该模型，这些结果来自先前发表的铈锆焦铬矿的实验研究。
　　如果你只有一个证据，你可能会无意中发现几个仍然符合描述的模型，Nevidomskyy说。我们实际上匹配的不是一个，而是三个不同的证据。因此，一个候选者必须匹配所有三个实验。
　　一些研究已经暗示了量子自旋液体中出现的相同类型的量子磁涨落，这是非常规超导性的可能原因。但Nevidomskyy表示，计算结果主要是物理学家的基本兴趣。
　　这满足了我们作为物理学家的天生愿望，即了解自然界是如何运作的，他说。据我所知，没有任何应用会有所益处。它并没有立即与量子计算联系在一起，尽管存在使用分数化激励作为逻辑量子位平台的想法。
　　他说，对于物理学家来说，一个特别有趣的点是量子自旋液体与磁单极子的实验实现之间的深层联系，磁单极子是理论粒子，其潜在存在仍然存在于宇宙学家和高能物理学家的争论中。
　　当人们谈论分数化时，他们的意思是系统的行为就像一个物理粒子，如电子，分裂成两半，四处游荡，然后重新组合，Nevidomskyy说。在我们研究的焦灼石磁体中，这些游荡的物体的行为更像量子磁单极子。
　　磁单极子可以被可视化为孤立的磁极，就像单个电子的向上或向下的磁极一样。
　　当然，在经典物理学中，人们永远不能只隔离条形磁铁的一端，他说。北方和南方的单极子总是成对出现。但在量子物理学中，磁单极子可以假设存在，量子理论家在大约100年前构建了磁单极子，以探索有关量子力学的基本问题。
　　据我们所知，磁单极子在我们的宇宙中并不以原始形式存在，Nevidomskyy说。但事实证明，这些烧绿石铈量子自旋液体中确实存在一种奇特版本的单极子。单个自旋翻转会产生两个称为旋转子的分数化准粒子，它们的行为类似于单极子，并在晶格周围徘徊。
　　该研究还发现证据表明，单极子状棘子是在焦铬铬中以不寻常的方式产生的。由于焦灼石中磁性原子的四面体排列，研究表明它们在低温下会产生八极磁矩具有八极的自旋状磁性准粒子。研究表明，材料中的旋子是由这些八极来源和更传统的偶极自旋矩产生的。
　　我们的模型建立了这两个组成部分彼此相互作用的确切比例，Nevidomskyy说。它不仅为烧绿石铈材料，而且对八极量子自旋液体的理论理解开启了新的篇章。