Совместная исследовательская группа подтвердила поведение квантовой спиновой жидкости в материале KYbSe2, подтвердив гипотезу десятилетней давности. Этот прорыв, значимый для квантовых вычислений и разработки сверхпроводников, был достигнут с помощью передовых методов рассеяния нейтронов и вычислительного анализа.
В 1973 году физик Фил Андерсон выдвинул гипотезу о существовании квантовой спиновой жидкости на некоторых треугольных решетках, но ему не хватало инструментов, чтобы копнуть глубже. Пятьдесят лет спустя группа исследователей во главе с Центром квантовой науки со штаб-квартирой в Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США подтвердила наличие QSL-поведения в новом материале с такой структурой, KYbSe2.
QSL — необычное состояние материи, контролируемое взаимодействием между запутанными или внутренне связанными магнитными атомами, называемыми спинами, — превосходно стабилизируют квантово-механическую активность в KYbSe2 и других делафосситах. Эти материалы ценятся за их слоистые треугольные решетки и многообещающие свойства, которые могут способствовать созданию высококачественных сверхпроводников и компонентов квантовых вычислений.
Совместные исследования
«Исследователи изучили треугольную решетку различных материалов в поисках поведения QSL», — сказал член QSC и ведущий автор Аллен Шейе, штатный научный сотрудник Лос-Аламоса. «Одним из преимуществ этого метода является то, что мы можем легко менять атомы, чтобы изменить свойства материала, не изменяя его структуру, и это делает его довольно идеальным с научной точки зрения».
Методология и результаты
Используя комбинацию теоретических, экспериментальных и вычислительных методов, команда наблюдала несколько отличительных черт QSL: квантовую запутанность, экзотические квазичастицы и правильный баланс обменных взаимодействий, которые контролируют то, как спин влияет на своих соседей. Несмотря на то, что исторически усилия по выявлению этих особенностей были затруднены из-за ограничений физических экспериментов, современные приборы для рассеяния нейтронов могут производить точные измерения сложных материалов на атомном уровне.
Изучив спиновую динамику KYbSe2 с помощью спектрометра холодных нейтронов на источнике нейтронов расщепления ORNL — пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США — и сравнив результаты с надежными теоретическими моделями, исследователи обнаружили доказательства того, что материал был близок к квантовой критической точке, в которой характеристики QSL процветают. Затем они проанализировали его одноионное магнитное состояние с помощью широкоуглового спектрометра SNS.
Квантовые спиновые характеристики жидкости и будущие направления
Свидетелями, о которых идет речь, являются одномерная, двухклубная и квантовая информация Фишера, которая играла ключевую роль в предыдущих исследованиях QSC, посвященных изучению одномерной спиновой цепи или одной линии спинов в материале. KYbSe2 — это 2D-система, качество, которое сделало эти усилия более сложными.
«Мы применяем подход совместного проектирования, который жестко запрограммирован в QSC», — сказал Алан Теннант, профессор физики, материаловедения и инженерии в UTK, который возглавляет проект квантовых магнитов для QSC. «Теоретики в центре вычисляют вещи, которые они не могли рассчитать раньше, и это пересечение между теорией и экспериментом сделало возможным этот прорыв в исследованиях QSL».
Значение для квантовой науки и технологий
Это исследование согласуется с приоритетами QSC, которые включают подключение фундаментальных исследований к квантовой электронике, квантовым магнитам и другим существующим и будущим квантовым устройствам.
«Лучшее понимание QSL действительно важно для разработки технологий следующего поколения», — сказал Теннант. «Эта область все еще находится в состоянии фундаментальных исследований, но теперь мы можем определить, какие материалы мы можем модифицировать, чтобы потенциально создавать маломасштабные устройства с нуля».
Хотя KYbSe2 не является истинным QSL, тот факт, что около 85% магнетизма колеблется при низких температурах, означает, что у него есть потенциал стать таковым. Исследователи ожидают, что небольшие изменения в его структуре или воздействие внешнего давления потенциально могут помочь ему достичь 100%.
Экспериментаторы QSC и специалисты по вычислительной технике планируют параллельные исследования и симуляции, ориентированные на делафосситовые материалы, но результаты исследователей установили беспрецедентный протокол, который также может быть применен для изучения других систем. Оптимизируя научно обоснованную оценку кандидатов на QSL, они стремятся ускорить поиск подлинных QSL.
«Самое важное в этом материале то, что мы нашли способ ориентироваться на карте, так сказать, и показать, что мы сделали правильно», — сказал Шейе. «Мы почти уверены, что где-то в этом химическом пространстве есть полноценный QSL, и теперь мы знаем, как его найти».
