​​​​​​​전산 조사를 통해 최초의 3D 양자 스핀 액체 확인

Mar 21, 2024

휴스턴 – (2022년 5월 10일) – 미국과 독일 물리학자들의 전산 탐정 작업을 통해 세륨 지르코늄 파이로클로어가 3D 양자 스핀 액체임을 확인했습니다.

이름에도 불구하고, 양자 스핀 액체는 양자 얽힘과 원자의 기하학적 배열로 인해 전자가 서로 자기적으로 정렬하려는 자연스러운 경향을 방해하는 고체 물질입니다. 양자 스핀 액체의 기하학적 좌절은 너무 심해서 전자가 아무리 차가워지더라도 양자 자기 상태 사이를 오갑니다.

이론물리학자들은 양자 스핀 액체를 나타내는 양자역학적 모델을 일상적으로 연구하지만, 그것이 실제 물리적 물질에 존재한다는 설득력 있는 증거를 찾는 것은 수십 년 동안의 과제였습니다. 여러 가지 2D 또는 3D 재료가 가능한 양자 스핀 액체로 제안되었지만 라이스 대학의 물리학자인 Andriy Nevidomskyy는 물리학자들 사이에서 이들 중 어느 것도 자격이 있다는 확립된 합의가 없다고 말했습니다.

Nevidomskyy는 이번 달 오픈 액세스 저널 npj Quantum Materials에 발표된 플로리다 주립 대학의 Rice, 독일 드레스덴의 Max Planck 복잡계 물리학 연구소의 동료들과 함께 전산 조사를 기반으로 변화를 기대하고 있습니다.

그는 “오늘 우리가 가지고 있는 모든 증거를 바탕으로 이 연구는 2019년 3D 양자 스핀 액체 후보로 확인된 세륨 파이로클로어의 단결정이 실제로 분할된 스핀 여기를 갖는 양자 스핀 액체라는 것을 확인시켜준다”고 말했다.

자성을 발생시키는 전자의 고유한 특성은 스핀입니다. 각 전자는 북극과 남극이 있는 작은 막대 자석처럼 행동하며, 측정 시 개별 전자 스핀은 항상 위 또는 아래를 향합니다. 대부분의 일상적인 자료에서 스핀은 무작위로 위 또는 아래를 향합니다. 그러나 전자는 본질적으로 반사회적이므로 어떤 상황에서는 이웃과 관련하여 스핀을 배열하게 될 수 있습니다. 예를 들어 자석에서는 스핀이 같은 방향으로 집합적으로 배열되어 있고, 반강자성체에서는 스핀이 위-아래, 위-아래 패턴으로 배열되어 있습니다.

매우 낮은 온도에서는 양자 효과가 더욱 두드러지며 이로 인해 대부분의 물질에서 전자가 스핀을 집합적으로 배열하게 됩니다. 실온에서 스핀이 임의의 방향을 가리키는 경우에도 마찬가지입니다. 양자 스핀 액체는 물질이 아무리 차가워지더라도 스핀이 특정 방향(심지어 위 또는 아래)을 가리키지 않는 반례입니다.

물리학 및 천문학 부교수이자 Rice Quantum Initiative 및 Rice Center for Quantum Materials(RCQM)의 회원인 Nevidomskyy는 “양자 스핀 액체는 본질적으로 물질의 분할된 상태의 예입니다.”라고 말했습니다. . “개별 자극은 위에서 아래로 또는 그 반대로 스핀 뒤집기가 아닙니다. 그것들은 회전 자유도의 절반을 운반하는 기이하고 비국소화된 물체입니다. 반쯤 회전한 것 같아요.”

Nevidomskyy는 라이스 실험 물리학자 Pengcheng Dai가 주도한 2019년 연구의 일부로, 세륨 지르코늄 피로클로르가 양자 스핀 액체라는 최초의 증거를 발견했습니다. 팀의 샘플은 이러한 종류 중 최초의 샘플이었습니다. 세륨, 지르코늄 및 산소의 비율이 2:2:7인 파이로클로스와 내부 원자가 연속적이고 깨지지 않는 격자로 배열되어 있는 단결정이었습니다. Dai와 동료들의 비탄성 중성자 산란 실험은 35밀리켈빈만큼 낮은 온도에서 측정된 연속적인 스핀 여기인 양자 스핀 액체 특징을 밝혀냈습니다.

Nevidomskyy는 “그들이 용의자를 찾아내고 그를 범죄 혐의로 기소했다고 주장할 수 있습니다.”라고 말했습니다. "이 새로운 연구에서 우리의 임무는 배심원들에게 용의자가 유죄임을 증명하는 것이었습니다."

Nevidomskyy와 동료들은 세륨 지르코늄 피로클로르의 기존 양자 역학 모델에 대한 스핀 역학 계산을 수행하기 위해 최첨단 몬테카를로 방법, 정확한 대각선화 및 분석 도구를 사용하여 사례를 구축했습니다. 이 연구는 Nevidomskyy와 Max Planck의 Roderich Moessner에 의해 고안되었으며, Monte Carlo 시뮬레이션은 Rice의 Han Yan과 Max Planck의 Shu Zhang의 도움을 받아 Florida State의 Anish Bhardwaj와 Hitesh Changlani에 의해 수행되었습니다.