計算機探索により、最初の 3D 量子スピン液体が確認される

Mar 21, 2024

ヒューストン – (2022 年 5 月 10 日) – 米国とドイツの物理学者による計算探偵研究により、セリウム ジルコニウム パイロクロアが 3D 量子スピン液体であることが確認されました。

その名前とは裏腹に、量子スピン液体は、量子のもつれと原子の幾何学的配置が、電子が相互に磁気的に秩序を保つ自然な傾向を妨げる固体材料です。 量子スピン液体内の幾何学的フラストレーションは非常に激しいため、電子はどんなに冷たくなっても量子磁気状態の間で変動します。

理論物理学者は日常的に量子スピン液体を示す量子力学的モデルを扱っていますが、量子スピン液体が実際の物理材料中に存在するという説得力のある証拠を見つけることは数十年にわたる課題でした。 多くの 2D または 3D 材料が量子スピン液体の可能性として提案されているが、ライス大学の物理学者、アンドリー・ネビドムスキー氏は、それらのどれかが適格であるという物理学者の間で確立されたコンセンサスは存在しないと述べた。

ネヴィドムスキー教授は、フロリダ州立大学ライス大学とマックス・プランク複雑系物理学研究所（ドイツ、ドレスデン）の同氏と同僚らがオープンアクセスジャーナル「npj Quantum Materials」に今月発表した計算調査に基づいて、状況が変わることを期待している。

「今日我々が持っているすべての証拠に基づいて、この研究は、2019年に3D量子スピン液体の候補として特定されたセリウムパイロクロアの単結晶が、実際に分別されたスピン励起を有する量子スピン液体であることを確認した」と彼は述べた。

磁気をもたらす電子の固有の性質はスピンです。 各電子は、N 極と S 極を備えた小さな棒磁石のように動作し、測定すると、個々の電子のスピンは常に上または下を向いています。 日常的な物質のほとんどでは、回転はランダムに上または下を指します。 しかし、電子は本質的に反社会的であるため、状況によっては電子のスピンが隣接電子との関係で配置される可能性があります。 たとえば、磁石ではスピンが同じ方向に集合して配置されますが、反強磁性体ではスピンが上下上下のパターンで配置されます。

非常に低い温度では、量子効果がより顕著になり、これにより、室温ではスピンがランダムな方向を向く材料であっても、ほとんどの材料で電子のスピンが集合的に配列されます。 量子スピン液体は反例であり、物質がどんなに冷たくなっても、スピンが上や下であっても一定の方向を向かない。

「量子スピン液体は、その性質上、物質が細分化された状態の一例です」と、物理学と天文学の准教授であり、ライス量子イニシアチブとライス量子材料センター（RCQM）の両方のメンバーであるネヴィドムスキー氏は述べた。 。 「個々の励起は、上から下、またはその逆のスピン反転ではありません。 これらは、1 回転の自由度の半分を運ぶ、奇妙な非局所化されたオブジェクトです。 半分のスピンのようなものです。」

ネヴィドムスキー氏は、ライスの実験物理学者ペンチェン・ダイ氏が主導した2019年の研究に参加しており、セリウムジルコニウムパイロクロアが量子スピン液体であるという最初の証拠を発見した。 研究チームのサンプルは、セリウム、ジルコニウム、酸素の比率が 2 対 2 対 7 であることからパイロクロアと呼ばれ、内部の原子が途切れることなく連続した格子状に配置されていることから単結晶と呼ばれる、この種のサンプルとしては初めてのものでした。 Daiらによる非弾性中性子散乱実験により、量子スピン液体の特徴、つまり35ミリケルビンという低い温度で測定されたスピン励起の連続体が明らかになった。

「彼らは容疑者を発見し、罪で起訴したと主張することもできるだろう」とネヴィドムスキー氏は語った。 「この新しい研究における私たちの仕事は、容疑者が有罪であることを陪審に証明することでした。」

Nevidomskyyらは、最先端のモンテカルロ法、正確な対角化、およびセリウムジルコニウムパイロクロアの既存の量子力学モデルのスピンダイナミクス計算を実行する分析ツールを使用してケースを構築した。 この研究は、Nevidomskyy 氏とマックス プランクの Roderich Moessner 氏によって考案され、モンテカルロ シミュレーションは、ライス大学の Han Yan 氏とマックス プランク氏の Shu Zhang 氏の協力を得て、フロリダ州立大学の Anish Bhardwaj 氏と Hitesh Changlani 氏によって実行されました。