No existe una forma conocida de demostrar que existe un "líquido de espín cuántico" tridimensional, por lo que los físicos de la Universidad de Rice y sus colaboradores hicieron lo siguiente mejor: mostraron que sus cristales individuales de pirocloro de circonio y cerio tenían las cosas correctas para calificar como los primerosposible versión 3D del estado de la materia largamente buscado.
A pesar del nombre, un líquido de espín cuántico es un material sólido en el que la extraña propiedad de la mecánica cuántica, el enredo, garantiza un estado magnético similar al líquido.
En un documento de esta semana en Física de la naturaleza , los investigadores ofrecieron una gran cantidad de evidencia experimental, incluidos experimentos cruciales de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge ORNL y experimentos de relajación de espín muónico en el Instituto Paul Scherrer PSI de Suiza, para respaldar su caso de que el pirocloro de circonio y cerio,en su forma de cristal único, es el primer material que califica como un líquido de giro cuántico 3D.
"Un líquido de espín cuántico es algo que los científicos definen en base a lo que no se ve", dijo Pengcheng Dai de Rice, autor correspondiente del estudio y miembro del Centro de Materiales Cuánticos de Rice RCQM. "vea el orden a largo plazo en la disposición de los giros. No ve el desorden. Y varias otras cosas. No es esto. No es eso. No hay una identificación positiva concluyente ".
Se cree que las muestras del equipo de investigación son las primeras de su tipo: los piroclores debido a su proporción de 2 a 2 a 7 de cerio, circonio y oxígeno, y cristales individuales porque los átomos dentro de ellos están dispuestos en forma continua, celosía ininterrumpida.
"Hemos hecho todos los experimentos que pudimos pensar en este compuesto", dijo Dai. "El coautor del estudio El grupo de Emilia Morosan en Rice realizó un trabajo de capacidad térmica para mostrar que el material no experimenta una transición de fase a 50milikelvin. Hicimos una cristalografía muy cuidadosa para mostrar que no hay desorden en el cristal. Hicimos experimentos de relajación del espín muónico que demostraron una ausencia de orden magnético de largo alcance hasta 20 milikelvin, e hicimos experimentos de difracción que mostraron que la muestra no tiene oxígeno.vacante u otros defectos conocidos. Finalmente, realizamos una dispersión inelástica de neutrones que mostró la presencia de un continuo de excitación de espín, que puede ser un sello distintivo del líquido de espín cuántico, hasta 35 milikelvin ".
Dai, profesor de física y astronomía, atribuyó el éxito del estudio a sus colegas, en particular a los coautores principales Bin Gao y Tong Chen y al coautor David Tam. Gao, asociado de investigación posdoctoral de Rice, creó el single-muestras de cristal en un horno de zona flotante láser en el laboratorio del coautor de la Universidad de Rutgers, Sang-Wook Cheong. Tong, estudiante de doctorado en arroz, ayudó a Bin a realizar experimentos en ORNL que produjeron un continuo de excitación de espín indicativo de la presencia de espínenredos que producen un orden de corto alcance, y Tam, también estudiante de doctorado de Rice, dirigió experimentos de rotación de muones en PSI.
A pesar del esfuerzo del equipo, Dai dijo que es imposible decir definitivamente que el cerio-circonio 227 es un líquido de rotación, en parte porque los físicos aún no han acordado qué pruebas experimentales son necesarias para hacer la declaración, y en parte porque la definición de unEl líquido de centrifugado cuántico es un estado que existe a temperatura cero absoluta, un ideal más allá del alcance de cualquier experimento.
Se cree que los líquidos de espín cuántico se producen en materiales sólidos que están compuestos de átomos magnéticos en disposiciones cristalinas particulares. La propiedad inherente de los electrones que conduce al magnetismo es el espín, y los espines de electrones solo pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo. En la mayoría de los materiales, los espinesse barajan al azar como una baraja de cartas, pero los materiales magnéticos son diferentes. En los imanes de los refrigeradores y dentro de las máquinas de resonancia magnética, los giros detectan a sus vecinos y se organizan colectivamente en una dirección. Los físicos llaman a esto "orden ferromagnético de largo alcance", yOtro ejemplo importante de orden magnético de largo alcance es el antiferromagnetismo, donde los giros se organizan colectivamente en un patrón repetitivo, arriba-abajo, arriba-abajo.
"En un sólido con una disposición periódica de giros, si sabes lo que está haciendo un giro aquí, puedes saber qué está haciendo un giro a muchas, muchas repeticiones de distancia debido al orden de largo alcance", dijo el físico teórico de Rice ycoautor del estudio, Andriy Nevidomskyy, profesor asociado de física y astronomía y miembro de RCQM. "En un líquido, por otro lado, no hay un orden de largo alcance. Si observa dos moléculas de agua separadas por un milímetro, por ejemplo, no hay correlación alguna. Sin embargo, debido a sus enlaces hidrógeno-hidrógeno, aún pueden tener una disposición ordenada a distancias muy cortas con moléculas cercanas, lo que sería un ejemplo de orden de corto alcance ".
En 1973, el físico galardonado con el Premio Nobel Philip Anderson propuso la idea de líquidos de espín cuántico basados en la comprensión de que esa disposición geométrica de los átomos en algunos cristales podría hacer imposible que los espines enredados se orientaran colectivamente en arreglos estables.
Como señaló notablemente el escritor científico Philip Ball en 2017, "Imagine un antiferromagnético, en el que los giros adyacentes prefieran estar orientados en sentido opuesto, en una red triangular. Cada giro tiene dos vecinos más cercanos en un triángulo, pero la alineación antiparalela no puedeestar satisfecho con todo el trío. Una posibilidad es que la red de espín se congele en un estado "vítreo" desordenado, pero Anderson demostró que la mecánica cuántica permite la posibilidad de giros fluctuantes incluso a cero absoluto temperatura. Este estado se llama cuánticogirar líquido, y Anderson luego sugirió que podría estar conectado a la superconductividad de alta temperatura ".
La posibilidad de que los líquidos de espín cuántico pudieran explicar la superconductividad a alta temperatura estimuló el interés generalizado entre los físicos de materia condensada desde la década de 1980, y Nevidomskyy dijo que el interés aumentó aún más cuando se sugirió que algunos ejemplos de los llamados líquidos de espín cuántico topológicos podrían ser susceptiblespara construir qubits "para la computación cuántica.
"Pero creo que parte de la curiosidad acerca de los líquidos de centrifugado cuántico es que ha resurgido en muchas encarnaciones y propuestas teóricas", dijo. "Y aunque tenemos modelos teóricos donde sabemos, de hecho, que el resultado seráun líquido de centrifugado, encontrar un material físico real que cumpla con esas propiedades ha resultado, hasta ahora, muy difícil. Hasta el momento, no hay consenso en el campo de que ningún material, 2D o 3D, sea un líquido de centrifugado cuántico."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :