Recente gepolariseerde inelastische neutronenverstrooiingsexperimenten hebben de amplitude (dwz Higgs) -modus in C geïdentificeerd ₉ H ₁₈ N ₂ CuBr ₄ , een 2-D, bijna-kwantumkritische spinladderverbinding die een zwakke anisotropie van de uitwisseling van de gemakkelijke as vertoont. Geïnspireerd door deze bevindingen, onderzoekers van de RWTH Aachen University, Harbin Institute of Technology en de Universiteit van Erlangen-Nürnberg hebben een onderzoek uitgevoerd naar de dynamische spinstructuurfactor van planair gekoppelde spin-laddersystemen met behulp van grootschalige quantum Monte Carlo (QMC) -simulaties.

"De observatie en het begrip van de Higgs-amplitudemodus in kwantummagneten is opwindend, omdat het onderzoek in hoge-energiefysica (Nobelprijs 2013 voor de waarneming van het Higgs-deeltje) verbindt met vergelijkbare concepten in de fysica van de gecondenseerde materie, " Kai Phillip Schmidt en Stefan Wessel, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org via e-mail. "Echter, deze modus is nogal kwetsbaar in veel vlakke magneten, dus de potentiële experimentele detectie in een vlakke kwantummagneet van gekoppelde spinladders door inelastische neutronenverstrooiing kwam als een verrassing."

Voor het doel van de studie, Schmidt ontwikkelde een benaderende theorie, die nog stevig moest worden bevestigd via kwantitatieve modellering. Om dit te behalen, Wessel, met wie Schmidt goed bekend was, en Tao Ying, een postdoctoraal student onder begeleiding van Wessel, besloten om Monte Carlo-simulaties op dit probleem toe te passen.

Eigenlijk, ze wilden de dynamische spinstructuurfactor van eerder geïdentificeerde vlakke gekoppelde spin-laddersystemen onderzoeken met behulp van QMC-simulaties. Hun gecombineerde studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ), stelden hen in staat een kwantitatief begrip te krijgen van de Higgs-amplitudemodus die in eerder onderzoek werd beschreven.

"De dynamische structuurfactor is belangrijk, omdat het de volledige informatie over de magnetische excitaties bevat (zoals de Higgs-amplitudemodus) en het de essentiële hoeveelheid is die wordt gemeten door inelastische neutronenverstrooiing, " Schmidt en Wessel zeiden. "Quantum Monte Carlo (QMC) -simulaties zijn een zeer krachtig numeriek hulpmiddel om bepaalde klassen van kwantummagneten te bestuderen en de dynamische structuurfactor te extraheren, dat is meestal erg moeilijk te verkrijgen met andere middelen."

Met behulp van state-of-the-art QMC-simulatietechnieken, Schmidt, Wessel en Ying waren in staat om de numerieke waarden van bepaalde excitatie-energieën te vergelijken met die gemeten in inelastische neuronverstrooiing. Hierdoor konden ze vervolgens de magnetische interacties in een bepaalde kwantummagneet lokaliseren.

"De kwantitatieve modellering van de specifieke experimentele kwantummagneet en de mogelijkheid om de aard van de waargenomen magnetische excitaties in theorie te interpreteren, maakt de rigoureuze identificatie van de Higgs-amplitudemodus in een tweedimensionaal systeem van gekoppelde spinladders mogelijk, " zeiden Schmidt en Wessel. "Bovendien, we waren in staat om de eigenschappen van de Higgs-amplitudemodus te traceren over een grote parameterruimte in ons model. Hierdoor konden we dit deeltje volgen tot aan de zogenaamde Ising-limiet, dat is een van de meest paradigmatische modellen in de natuurkunde."

In hun studie hebben Schmidt, Wessel en Ying waren in staat om de Higgs-amplitudemodus die in eerdere experimenten werd waargenomen expliciet te begrijpen als een gebonden toestand van twee conventionele magnetische excitaties, wat analoog is aan een molecuul dat is opgebouwd uit atomen. Hun werk toont de haalbaarheid aan van het formuleren van een kwantitatieve theorie voor het begrijpen van de spindynamiek van bijna-kwantumkritische 2D-magneten, met behulp van de modernste QMC-simulatietechnieken. Terwijl ze hun theorie specifiek toepasten op samengestelde C ₉ H ₁₈ N ₂ CuBr ₄ , ze geloven dat het ook kan worden gebruikt om de kwantumspindynamiek van andere vergelijkbare magnetische verbindingen te begrijpen.

"Er zijn in de toekomst verschillende interessante routes te volgen, " zeiden Schmidt en Wessel. "In het bijzonder, het zal belangrijk zijn om inzicht te krijgen in het lot van de Higgs-amplitudemodus wanneer deze dichter bij kwantumkritische punten wordt afgestemd, bijv. bij het aanleggen van een magnetisch veld of externe druk, hoe gedraagt ​​deze opwinding zich en wordt ze instabiel?"

© 2019 Wetenschap X Netwerk