Een nieuwe studie, gepubliceerd in een recent nummer van Nature Physics , werpt licht op de langverwachte opkomst van quasideeltjes, vergelijkbaar met de beroemde Dirac-deeltjes die gehoorzamen aan de relativistische Dirac-vergelijking. Er werd aangenomen dat deze quasideeltjes, bekend als Dirac-spinonen, bestaan ​​in een nieuwe kwantumtoestand die een kwantum-spin-vloeistoftoestand wordt genoemd.

De ontdekking is het resultaat van een samenwerking tussen theoretisch natuurkundigen dr. Chengkang Zhou en professor Zi Yang Meng van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Hong Kong (HKU), samen met experimentatoren Zhenyuan Zeng en professor Shiliang Li van het Institute of Physics. IOP), Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) en professor Kenji Nakajima van J-PARC Center, Japan.

Quasideeltjes zijn intrigerende entiteiten die voortkomen uit collectief gedrag binnen materialen die als een groep deeltjes kunnen worden behandeld. Specifiek wordt verwacht dat de Dirac-spinonen unieke kenmerken vertonen die vergelijkbaar zijn met Dirac-deeltjes in de hoge-energiefysica en de Dirac-elektronen in grafeen- en kwantum-moire-materialen, zoals een lineaire dispersierelatie tussen energie en momentum. Maar dergelijke spin-½ lading-neutrale quasideeltjes zijn vóór dit werk nog niet eerder in kwantummagneten gezien.

'"Het vinden van Dirac-spinonen in kwantummagneten is de droom geweest van generaties natuurkundigen op het gebied van de gecondenseerde materie; nu we het bewijs ervan hebben gezien, kan men gaan nadenken over de talloze potentiële toepassingen van dergelijk sterk verstrengeld kwantummateriaal.

“Wie weet bouwen mensen er op een dag kwantumcomputers mee, net zoals mensen dat de afgelopen halve eeuw met silicium hebben gedaan”, zegt professor Meng, natuurkundige aan de HKU en een van de corresponderende auteurs van het artikel. P>

Het onderzoek van het team concentreerde zich op een uniek materiaal dat bekend staat als YCu₃ -Br, gekenmerkt door een kagome-roosterstructuur die leidt tot het verschijnen van deze ongrijpbare quasideeltjes.

Eerdere studies hadden laten doorschemeren dat het materiaal potentieel een kwantumspin-vloeistoftoestand kan vertonen, waardoor het een ideale kandidaat voor onderzoek is. Om de observatie van spinonen in YCu₃ mogelijk te maken heeft het onderzoeksteam talloze uitdagingen overwonnen door ongeveer 5.000 afzonderlijke kristallen samen te voegen, en daarmee te voldoen aan de vereisten voor het uitvoeren van experimenten zoals inelastische neutronenverstrooiing.

Met behulp van deze geavanceerde techniek onderzocht het team de spin-excitaties van het materiaal en observeerde intrigerende conische spin-continuümpatronen, die doen denken aan de karakteristieke Dirac-kegel. Hoewel het direct detecteren van een enkel spinon een uitdaging bleek vanwege experimentele beperkingen, vergeleek het team hun bevindingen met theoretische voorspellingen, waarbij verschillende spectrale kenmerken aan het licht kwamen die indicatief waren voor de aanwezigheid van spinonen in het materiaal.

Het vinden van spectraal bewijs van Dirac-spinon-excitaties is altijd een uitdaging geweest. Deze ontdekking levert overtuigend bewijs voor het bestaan ​​van een kwantum-spin-vloeistoftoestand van Dirac, wat kan lijken op een duidelijke kreet die door de mist van spectraal onderzoek naar de kwantum-spin-vloeistoftoestand snijdt.

De bevindingen bevorderen niet alleen ons fundamentele begrip van de fysica van de gecondenseerde materie, maar openen ook deuren voor verder onderzoek naar de eigenschappen en toepassingen van YCu₃ .

Gekenmerkt door de aanwezigheid van fractionele spinon-excitaties, is de kwantum-spin-vloeistoftoestand potentieel relevant voor supergeleiding bij hoge temperaturen en kwantuminformatie. In deze toestand zijn de spins zeer verstrengeld en blijven zelfs bij lage temperaturen ongeordend.

Daarom zou het onderzoeken van de spectrale signalen die voortkomen uit spinonen die aan de Dirac-vergelijking gehoorzamen, een breder begrip opleveren van de kwantumspin-vloeibare toestand van materie. Een dergelijk inzicht dient ook als leidraad voor bredere toepassingen, waaronder de verkenning van supergeleiding bij hoge temperaturen en kwantuminformatie.

Meer informatie: Zhenyuan Zeng et al, Spectraal bewijs voor Dirac-spinonen in een antiferromagneet van een kagome-rooster, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door de Universiteit van Hong Kong