In 2013, François Englert en Peter Higgs wonnen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor de theoretische ontdekking van een mechanisme dat bijdraagt ​​aan ons begrip van de oorsprong van de massa van subatomaire deeltjes, die werd bevestigd door de ontdekking van het voorspelde fundamentele deeltje door de A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) en de Compact Muon Solenoid (CMS) experimenten bij de Large Hadron Collider van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) in 2012. De Higgs-modus of het Anderson-Higgs-mechanisme (vernoemd naar een andere Nobelprijswinnaar Philip W Anderson), heeft een wijdverbreide invloed op ons huidige begrip van de fysische wet voor massa, variërend van deeltjesfysica - het ongrijpbare "Goddeeltje" Higgs-deeltje dat in 2012 werd ontdekt tot de meer bekende en belangrijke verschijnselen van supergeleiders en magneten in de fysica van gecondenseerde materie en onderzoek naar kwantummateriaal.

De Higgs-modus, samen met de Goldstone-modus, wordt veroorzaakt door het spontaan breken van continue symmetrieën in de verschillende quantum materiële systemen. Echter, anders dan de Goldstone-modus, die op grote schaal is waargenomen via neutronenverstrooiing en nucleaire magnetische resonantiespectroscopieën in kwantummagneten of supergeleiders, de observatie van de Higgs-modus in het materiaal is veel uitdagender vanwege de gebruikelijke overdemping, wat ook de eigenschap is van zijn neef in de deeltjesfysica - het ongrijpbare Higgs-deeltje. Om deze demping te verzwakken, vanuit de theoretische kant zijn twee paden gesuggereerd, door (1) kwantumkritische punten en (2) dimensionale overgang van hoge naar lagere dimensies. Voor 1), mensen hebben verschillende opmerkelijke resultaten bereikt, terwijl er weinig successen zijn in (2).

Om deze kennislacune op te vullen, vanaf 2020, Mijnheer Chengkang Zhou, dan een eerstejaars Ph.D. student, Dr. Zheng Yan en Dr. Zi Yang Meng van de Research Division for Physics and Astronomy van de University of Hong Kong (HKU), ontwierp een dimensionale crossover-instelling via gekoppelde spinkettingen. Ze pasten de quantum Monte Carlo (QMC) -simulatie toe om de excitatiespectra van het probleem te onderzoeken. Samenwerken met Dr. Hanqing Wu van de Sun Yat-Sen University, Professor Kai Sun van de Universiteit van Michigan, en professor Oleg A Starykh van de Universiteit van Utah, ze observeerden drie verschillende soorten collectieve excitatie in de quasi-1D-limiet, inclusief de Goldstone-modus, de Higgs-modus en de scalaire modus. Door numerieke en analytische analyses te combineren, ze hebben deze opwindingen met succes verklaard, en vooral, onthulde de duidelijke aanwezigheid van de Higgs-modus in de quasi-1D-kwantummagnetische systemen. Al deze resultaten kunnen niet alleen helpen om de belangrijkste modelparameters van het materiaal te vinden, maar onthullen ook een beeld van hoe dimensie ertoe doet in het gecondenseerde materiaal. Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Achtergrond

Quantummaterialen zijn ingebed in ons dagelijks leven, zoals diverse elektronische componenten, computer chips, en zonnepanelen. Met de snelle ontwikkeling van wetenschap en technologie, het begrijpen en manipuleren van de quantum veel-lichamen interacties in de materialen spelen een steeds belangrijkere rol. Zo'n tendens heeft zijn eerste teken al getoond. Bijvoorbeeld, de 2D quantum moiré materialen, zoals de magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, hebben veel aandacht getrokken en tonen hun nieuwe prestaties bij het realiseren van supergeleiding in op koolstof gebaseerde in plaats van de traditionele op silicium gebaseerde materialen. Bovendien, kwantumcomputertechnologie, die is gebaseerd op de theorie van supergeleiding en zelfs topologie ontwikkelt zich snel om efficiëntere computerchips te bouwen die verder gaan dan de wet van Moore. Samen met deze inspanningen, het onderzoek naar kwantummagneten is een van de belangrijkste objecten, waarbij de detectie van de Higgs-modus en de Goldstone-modi de onderliggende modelparameters van het materiaal kan onthullen.

Echter, aangezien de interactie van miljarden elektronen moet worden overwogen, het is moeilijk om direct via de kwantummechanica een duidelijk beeld te geven van verschillende kwantumveellichamensystemen. Daarom, numerieke methodes, zoals de QMC-simulatie, zijn nuttige techneuten geworden om kwantum veellichamensystemen te bestuderen. Deze numerieke methoden kunnen ons nuttige informatie en eigenschappen van kwantum veellichamensystemen vertellen en het micromechanisme van deze systemen laten zien. Deze informatie zou de ontwikkeling van de theorie stimuleren en het experimentele ontwerp begeleiden, wat de wetenschappers en ingenieurs zou helpen om meer nieuwe kwantummaterialen en componenten te ontdekken.

De Higgs-modus via dimensionale crossover

Om het micromechanisme in quantum veellichamensystemen te bestuderen, numerieke fysici komen meestal met een eenvoudig model op basis van theoretisch inzicht en experimentele gegevens. Vervolgens, ze passen numerieke simulatiemethoden toe om het model in een redelijk parametergebied te bestuderen. Een dergelijke onderzoeksprocedure is gebruikt bij het onderzoek naar de Higgs-modus in de kwantummagneten, maar de observatie ervan is nog steeds een uitdaging vanwege de gebruikelijke overdempingsfunctie. Van de kwantumtheoretische kant, wetenschappers hebben twee paden voorgesteld. De eerste is door het kwantumkritieke punt. Op dit pad, er zijn een aantal opmerkelijke resultaten, inclusief het signaal van de Higgs-modus is waargenomen in C ₉ H ₁₈ N ₂ CuBr ₄ . Maar de tweede weg dat is door de dimensionale overgang naar 1D, staat nog steeds vol blanco en roept op tot meer studie, deels omdat het moeilijk is om een ​​kwantumveellichamensysteem met dimensionale reductie te ontdekken. Een dergelijke dimensionale reductie verzwakt de langeafstandsorde van het systeem en, daarom, remt de overdempingsfunctie van de Higgs-modus. Het onderzoeksteam van de Universiteit van Hong Kong, de Sun Yat-Sen-universiteit, de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Utah zijn erin geslaagd om deze lege plekken te vervullen door numeriek een dimensioneel-crossover kwantumspinmodel te simuleren, gekoppelde spinketens (zie grafiek 1).

Het onderzoeksteam kwam met het model van gekoppelde spinketens door de interketeninteractie te introduceren. Door de sterkte van deze interketeninteracties te verminderen (de waarde van J⊥ in figuur 1 veranderen in 0), het model zou veranderen van een 2D-systeem naar een quasi-1D-systeem. Het onderzoeksteam gebruikte de QMC-methode om het model te simuleren en ontwikkelde een effectieve methode om de spin- en de bindings-correlatiefuncties te meten. Ze observeerden niet alleen de Higgs-modus via een dimensionale crossover, maar vonden ook de scalaire modus, die wordt voorspeld door de sinus-Gordon-theorie. Deze resultaten maken gekoppelde spinketens een aantrekkelijk kandidaatsysteem voor het theoretisch en experimenteel bestuderen van collectieve kwantumdynamica.

De Higgs-modus en het scalaire modusspectrum

Met behulp van de Tianhe-II en III supercomputers, het onderzoeksteam bestudeerde de gekoppelde spinketens in de quasi-1D-limiet en observeerde de evolutie van het spectrum van de Goldstone-modus (Figuur 2 (g) en (k)), de Higgs-modus (Grafiek 2 (h) en (l)), en de scalaire modus (Figuur 2 (f) en (j)). Figuur 2 toont de verkregen spectra van de QMC-simulaties, waarbij de blauwe stippellijn de spreidingsrelatie voorstelt volgens de combinatie van de gemiddelde-veldentheorie en het sin-Gordon-theoriemodel. Zoals te zien is in figuur 2, de numerieke resultaten passen goed bij de theoretische voorspelling, wat betekent dat het onderzoeksteam het signaal van de Higgs-modus heeft weten op te vangen. Dit signaal is zeer nuttig om overeenkomstige experimenten te ontwerpen om de Higgs-modus te observeren via een dimensionale crossover, zoals neutronenverstrooiing en kernmagnetische resonantiespectroscopie. Dergelijke opwindende resultaten zullen ook bijdragen aan ons begrip van de Higgs-modus bij dimensionale reductie.

Om de opkomst van de Higgs-modus en scalaire modus te beschrijven, het onderzoeksteam heeft ook de frequentie-afhankelijkheid ervan uitgezet (zie grafiek 3), waarbij g een factor is die aangeeft hoe dicht het model bij de quasi-1D is. Wanneer g=1, de gekoppelde spinkettingen bevinden zich in een 2D-systeem, en met g=0, de gekoppelde spinkettingen bevinden zich in een 1D-systeem. Door de frequentieafhankelijkheid van het spectrum te vergelijken met verschillende g, men kan een scherpe piek vinden die opkomt als g afneemt, wat betekent dat de signalen van de Higgs-modus en de scalaire modus sterker en sterker worden.

Het nieuwe natuurkundige fenomeen via dimensionale crossover

In het kader van de moderne natuurkunde, symmetrie en dimensie zijn twee van de belangrijkste factoren die de eigenschappen van de kwantumfysica met veel lichamen bepalen. En het fenomeen dat wordt veroorzaakt door dimensiereductie is een belangrijk onderwerp in kwantummagnetische systemen. De bevinding van het onderzoeksteam zorgde voor een aantrekkelijk model en gegevensondersteuning, die ons helpen te begrijpen welke essentiële rol de dimensie speelt in onze wereld en de ontwikkeling van het volgende generatie kwantummateriaal en componenten stimuleren.