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

Mar 21, 2024

HOUSTON – (10 de mayo de 2022) – 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 de mecánica cuántica que manifiestan líquidos de espín cuántico, pero encontrar pruebas convincentes de que existen en materiales físicos reales ha sido un desafío que lleva décadas. Si bien se han propuesto varios materiales 2D o 3D como posibles líquidos de espín cuántico, el físico de la Universidad Rice, Andriy Nevidomskyy, dijo que no existe un consenso establecido entre los físicos de que alguno de ellos califique.

Nevidomskyy espera que eso cambie basándose en la investigación computacional que él y sus colegas de Rice, la Universidad Estatal de Florida 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 monocristales de 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 espín. Cada electrón se comporta como una pequeña barra magnética con un polo norte y un polo sur y, cuando se miden, los espines de los electrones individuales 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, en algunas circunstancias, organicen sus espines en relación con sus vecinos. En los imanes, por ejemplo, los espines están dispuestos colectivamente en la misma dirección, y en los antiferromagnetos están dispuestos en un patrón de arriba a abajo, de arriba a 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 cuyos espines apuntarían en direcciones aleatorias a temperatura ambiente. Los líquidos de espín cuántico son un contraejemplo en el que los espines 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 tanto de la Iniciativa Cuántica de Rice como del Centro Rice de Materiales Cuánticos (RCQM). . “Las excitaciones individuales no son giros de arriba a 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 una vuelta”.

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 cerio, circonio y oxígeno de 2 a 2 a 7, y cristales individuales porque los átomos del interior estaban dispuestos en una red continua e ininterrumpida. Los experimentos de dispersión inelástica de neutrones realizados por Dai y sus colegas revelaron un sello líquido de espín cuántico, un continuo de excitaciones de espín medidas a temperaturas tan bajas como 35 mikelvin.

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

Nevidomskyy y sus colegas construyeron su caso utilizando métodos de Monte Carlo de última generación, diagonalización exacta y herramientas analíticas para realizar 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 e Hitesh Changlani del estado de Florida 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 valores diferentes. Nuestro objetivo era encontrar esos valores para el pirocloro de cerio y determinar si describen un líquido de espín cuántico.

"Sería como si un experto en balística utilizara la segunda ley de Newton para calcular la trayectoria de una bala", dijo. “La ley de Newton es conocida, pero sólo tiene poder predictivo si se proporcionan 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 esas condiciones iniciales 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 resultados termodinámicos, de dispersión de neutrones y de magnetización de estudios experimentales publicados previamente sobre pirocloro de cerio y circonio.

"Si solo tienes una evidencia, es posible que sin darte cuenta encuentres varios modelos que aún se ajustan a la descripción", dijo Nevidomskyy. “En realidad, comparamos no una, sino tres pruebas diferentes. Por lo tanto, un único 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 resultar beneficiosa. No está inmediatamente vinculado a la computación cuántica, aunque existen ideas para utilizar 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 deambulan y luego se recombinan en algún lugar más tarde", dijo Nevidomskyy. "Y en los imanes de pirocloro como el que estudiamos, estos objetos errantes se comportan además como monopolos magnéticos cuánticos".

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

"Por supuesto, en la física clásica nunca se puede aislar sólo 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 cruda en nuestro universo", dijo Nevidomskyy. “Pero resulta que existe una versión elegante de monopolos en estos líquidos de espín cuántico de pirocloro y cerio. Un solo giro crea dos cuasipartículas fraccionadas llamadas espinones que se comportan como monopolos y deambulan por la red cristalina”.

El estudio también encontró evidencia de que los espinones tipo monopolo se crearon de una manera inusual en el 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 en forma de espín con ocho polos) a bajas temperaturas. La investigación demostró que los espinones del 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 sólo 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 Wiess de Ciencias Naturales, la Escuela de Ingeniería Brown, el Instituto Smalley-Curl y los departamentos de Física y Astronomía, Ingeniería Eléctrica e Informática y Ciencia de Materiales. y NanoIngeniería.

“Detectando la exótica liquidez del espín cuántico en el imán de pirocloro Ce2Zr2O7”, Nature Quantum Materials

https://doi.org/10.1038/s41535-022-00458-2

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/05/0509_LIQUID-Ce227-3Dsec-lg.jpg TÍTULO: Una representación en 3D del continuo de excitación de espín: una posible característica distintiva de un líquido de espín cuántico -- observado en 2019 en una muestra monocristalina de pirocloro de cerio y circonio. (Imagen de Tong Chen/Universidad Rice)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/05/0509_LIQUID-an85-lg.jpg TÍTULO: Andriy Nevidomskyy (Foto de Jeff Fitlow/Universidad de Rice)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/05/0509_LIQUID-octu-lg.jpg TÍTULO: Físicos estadounidenses y alemanes encontraron evidencia de que los cristales de pirocloro de cerio circonio son “líquidos de espín cuántico octupolar” en los que Los momentos magnéticos (rojo y azul) contribuyen al magnetismo fraccionado. (Imagen cortesía de A. Nevidomskyy/Universidad Rice)

Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país según US News & World Report. Rice cuenta con escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 4.052 estudiantes universitarios y 3.484 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es de poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios universitarios residenciales construye comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el puesto número 1 por su gran interacción entre raza y clase y el número 1 por calidad de vida según Princeton Review. Rice también está calificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger's Personal Finance.