该研究概述了八极量子自旋冰中分馏化的光谱特征

预计在π通量QSI的非弹性中子散射中将存在一个磁八极和三个强度递减的峰值。图片来源：Desrochers & Kim

量子自旋液体是令人着迷的量子系统，最近引起了研究的极大关注。这些系统的特点是相互作用之间的激烈竞争，这阻止了长程磁序的建立，例如在传统磁体中观察到的磁序，其中所有自旋都沿同一方向排列以产生净磁场。

多伦多大学的研究人员最近引入了一个框架，可以促进对一种新的3D量子自旋液体的实验观察，这种液体被称为π通量八极量子自旋冰（π-O-QSI）。他们的论文发表在《物理评论快报》上，预测了该系统独特的光谱特征，可以在未来的实验中进行测量。

“有趣的是，量子自旋液体可以承载分馏激发，”该论文的合著者FélixDesrochers告诉 Phys.org。“也就是说，这些材料中的电子似乎解离成多种成分。例如，虽然电子同时携带自旋和电荷，但涌现准粒子可以携带自旋但没有电荷。

“这些激发不是由电子分裂成几块而产生的，而是由它们的强烈相互作用引起的高度非平凡的集体运动形式的结果。

几十年来，物理学家一直在寻找量子自旋液态的明确例子。尽管如此，由于两个主要因素，到目前为止，这一研究领域的进展缓慢。

首先，设计能够真实地描述自旋液体基态并可用于推导准确预测的理论模型已被证明是具有挑战性的。其次，检测和表征这些系统在真实材料中的物理特性也被证明是困难的。

“量子自旋冰（QSI）是一个罕见的模型例子，具有众所周知的量子自旋液态基态，也可以在真实材料（如稀土热绿石家族）中找到，”Desrochers解释说。

“QSI是非凡的，因为它实现了量子电动力学的晶格等价物：它拥有涌现的光子样模式（即类似于光粒子的激发），类似于静电荷的粒子，具有相互的库仑相互作用，称为自旋子，甚至是磁单极子。

基于理论预测，QSI中出现的量子电动力学与传统电动力学有很大不同。例如，所谓的“涌现光”的速度应该在1 m/s的量级，而不是我们在日常生活中遇到的3x108 m/s的光。

“最近对 Ce2Zr2O7、Ce2Sn2O7 和 Ce2Hf2O7 的实验非常令人兴奋，”Desrochers 说。“这些材料没有显示出任何订购到最低可用温度的迹象。

0 通量和 π 通量 QSI 的动量积分动态自旋结构因子作为横向耦合的函数。π通量QSI显示三个强度递减的尖锐峰，而0通量QSI则显示一个峰值。图片来源：Desrochers & Kim

“进一步的分析确定了描述其行为的微观参数。他们发现，该系统位于参数空间的一个区域，理论上建议承载一种称为π通量量子自旋冰（π-QSI）的QSI的特定风味。

虽然最近的研究收集了令人鼓舞的发现，但可靠地识别量子自旋液体是一项非常复杂的任务，因为即使是微弱的无序也可能破坏这些状态。为了明确地检测这些状态，研究人员首先需要识别量子自旋液体特有的独特特征，这些特征保持稳定。

“在我们工作之前，没有明确的建议来研究π通量QSI中自旋动力学的吸烟枪特征，”Desrochers解释说。“因此，我们的工作旨在突出潜在的不同特征，这些特征可以帮助确定是否在Ce，2，Zr，2，O，7和其他类似化合物中实现了π通量QSI。我们特别关注可以用目前可用的实验设备测量的特征。

作为研究的一部分，Desrochers和他的博士生导师Yong Baek Kim开始使用Lucile Savary和Leon Balents在2012年引入的理论框架（称为规范平均场理论（GMFT））来预测π通量QSI状态的独特光谱特征。该框架基本上基于量子自旋冰中存在的涌现激发（即光子和自旋子）重写了初始自旋算子。

“这个框架已经用于研究一些最早使用GMFT的π通量QSI，”Desrochers说。“因此，我们扩展了这项工作，目的是做出具有实验意义的预测。为了确保我们的预测是可靠的，我们还与我们小组和文献之前的数值结果进行了广泛的比较。

Desrochers和Kim最近的这项研究对自旋液态π通量QSI的独特光谱特征进行了有意义的预测。这些特征可以指导未来的实验研究，帮助物理学家确认这种奇异状态的存在。

“我们强调，π通量QSI应该在非弹性中子散射中产生三个强度递减的峰值，”Desrochers说。“这是一个独特而鲜明的标志。如果进行测量，这三个峰将为这种三维QSL的实验实现提供令人信服的证据。

Desrochers和Kim希望他们的预测能够帮助研究人员确定在遇到难以捉摸的π通量QSI状态时应该测量什么。值得注意的是，他们确定的光谱特征应该在目前可实现的实验分辨率下可以检测到，因此它们可能很快就会被观察到。

与此同时，研究人员计划以他们最近的研究为基础，收集越来越详细的预测。例如，他们想研究他们预测的峰值在不同温度下如何演变，并估计它们在什么温度下消失。

“最令人兴奋的未来发展肯定会来自实验方面，”Desrochers补充道。“确认这些峰值的存在将为实现这种长期寻求的新物质状态提供非常有说服力的证据。已经有一些令人鼓舞的迹象：最近对Ce2Sn2O7的研究报告的测量结果显示，有三个强度下降的峰值的迹象。

更多信息： Félix Desrochers 等人，八极量子自旋冰中分馏化的光谱特征，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.066502.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2301.05240

期刊信息：Physical Review Letters arXiv

来自：量子梦