Onderzoekers van de Universiteit van Toronto hebben onlangs een raamwerk geïntroduceerd dat de experimentele observatie van een nieuwe 3D-kwantumspinvloeistof, bekend als π-flux octupolair kwantumspinijs (π-O-QSI), zou kunnen vergemakkelijken. Hun artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters , voorspelt de onderscheidende spectroscopische kenmerken van dit systeem, die in toekomstige experimenten kunnen worden gemeten.
"Interessant is dat kwantumspinvloeistoffen gefractioneerde excitaties kunnen herbergen", vertelde Félix Desrochers, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "De elektronen in deze materialen lijken namelijk te dissociëren in meerdere componenten. Terwijl elektronen bijvoorbeeld zowel spin als lading dragen, kan het opkomende quasideeltje wel spin dragen, maar geen lading.
"Deze excitaties komen niet voort uit de fragmentatie van de elektronen in verschillende stukken, maar zijn in plaats daarvan het resultaat van een zeer niet-triviale vorm van collectieve beweging, veroorzaakt door hun sterke interacties."
Natuurkundigen zoeken al tientallen jaren naar duidelijke voorbeelden van de kwantum-spin-vloeistoftoestand. Niettemin is de vooruitgang op dit onderzoeksgebied tot nu toe traag geweest, als gevolg van twee belangrijke factoren.
Ten eerste is het een uitdaging gebleken om theoretische modellen te ontwikkelen die op realistische wijze spin-vloeibare grondtoestanden beschrijven en die kunnen worden gebruikt om nauwkeurige voorspellingen af te leiden. Ten tweede bleek het detecteren en karakteriseren van de fysieke eigenschappen van deze systemen in echte materialen ook moeilijk.
"Quantumspin-ijs (QSI) is een zeldzaam voorbeeld van een model met een goed begrepen kwantumspin-vloeistofgrondtoestand en kan ook worden gevonden in een echt materiaal (zoals de familie van pyrochloren van zeldzame aardmetalen)", legt Desrochers uit.
P>
"QSI is buitengewoon omdat het het roosterequivalent van de kwantumelektrodynamica realiseert:het herbergt opkomende fotonachtige modi (dat wil zeggen excitaties die lijken op lichtdeeltjes), deeltjes die analoog zijn aan elektrostatische ladingen met wederzijdse Coulomb-interactie, bekend als spinonen en zelfs magnetische monopolen."
Op basis van theoretische voorspellingen verschilt de kwantumelektrodynamica die in QSI naar voren komt aanzienlijk van conventionele elektrodynamica. De snelheid van het zogenaamde 'opkomende licht' zou bijvoorbeeld in de orde van 1 m/s moeten liggen, in tegenstelling tot de snelheid van 3x10
8
m/s licht die we in het dagelijks leven tegenkomen.
"Recente experimenten op Ce2 Zr2 O7 , Ce2 Sn2 O7 en Ce2 Hf2 O7 Het was buitengewoon spannend", aldus Desrochers. "De materialen vertonen geen enkel spoor van ordening tot aan de laagst bereikbare temperatuur.