Evidência espectral encontrada para spinons de Dirac em um antiferromagneto de rede Kagome

(a) Diagrama esquemático das excitações cônicas dos spinons de Dirac e do espectro contínuo cônico formado por dois spinons. (b) Diagrama esquemático das excitações de spin cônico em YCu₃ (OH)₆ Br₂ [Br_0,33 (DO)_0,67 ]. (c) Relação entre a meia largura na metade do máximo e a energia. A linha sólida representa um ajuste linear. (d) Uma imagem ampliada de alguns cristais co-alinhados e a vista frontal de amostras co-alinhadas em duas placas de Cu. Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z

Um novo estudo, publicado em uma edição recente da Nature Physics , lança luz sobre o tão esperado surgimento de quasipartículas, semelhantes às famosas partículas de Dirac que obedecem à equação relativística de Dirac. Essas quasipartículas, conhecidas como spinons de Dirac, foram teorizadas como existindo dentro de um novo estado quântico denominado estado líquido de spin quântico.

A descoberta é o resultado de uma colaboração entre os físicos teóricos Dr. Chengkang Zhou e o professor Zi Yang Meng do Departamento de Física da Universidade de Hong Kong (HKU), juntamente com os experimentalistas Zhenyuan Zeng e o professor Shiliang Li do Instituto de Física ( IOP), Academia Chinesa de Ciências (CAS) e Professor Kenji Nakajima do J-PARC Center, Japão.

Quasipartículas são entidades intrigantes que emergem do comportamento coletivo dentro de materiais que podem ser tratados como um grupo de partículas. Espera-se que os spinons de Dirac, especificamente, exibam características únicas semelhantes às partículas de Dirac na física de alta energia e aos elétrons de Dirac em materiais de grafeno e moiré quântico, como uma relação de dispersão linear entre energia e momento. Mas essas quasipartículas neutras de spin-½ carga não foram vistas em ímãs quânticos antes deste trabalho.

'"Encontrar spinons de Dirac em ímãs quânticos tem sido o sonho de gerações de físicos da matéria condensada; agora que vimos a evidência deles, podemos começar a pensar sobre as inúmeras aplicações potenciais de tal material quântico altamente emaranhado.

“Quem sabe, talvez um dia as pessoas construam computadores quânticos com ele, assim como fizeram no último meio século com o silício”, disse o professor Meng, físico da HKU e um dos autores correspondentes do artigo.

A investigação da equipe se concentrou em um material único conhecido como YCu₃ -Br, caracterizado por uma estrutura de rede kagome que leva ao aparecimento dessas quase-partículas indescritíveis.

Estudos anteriores sugeriram o potencial do material para exibir um estado líquido de spin quântico, tornando-o um candidato ideal para exploração. Para possibilitar a observação de spinons em YCu₃ , a equipe de pesquisa superou vários desafios ao reunir aproximadamente 5.000 cristais únicos, atendendo aos requisitos para a realização de experimentos como o espalhamento inelástico de nêutrons.

Usando esta técnica avançada, a equipe investigou as excitações de spin do material e observou intrigantes padrões cônicos de spin contínuo, que lembram o característico cone de Dirac. Embora a detecção direta de spinons únicos tenha sido um desafio devido a limitações experimentais, a equipe comparou suas descobertas com previsões teóricas, revelando características espectrais distintas indicativas da presença de spinons no material.

Excitações de spin em YCu₃ (OD)₆ [Br_0,33 (DO)_0,67 ] medido através do espalhamento de nêutrons. e,f, gráficos de contorno de intensidade dos resultados do INS em função de E e Q ao longo da direção [H, 0] em 0,3 K (e) e 30 K (f). Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z
Predição linear de ondas de spin na rede kagome:a e b mostram os espectros de spin sem introduzir efeitos de desordem. c e d exibem os espectros com os mesmos parâmetros, mas introduzem efeitos desordenados para ajustar os resultados experimentais. e e f mostram os espectros com diferentes tipos de desordem. Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z

Encontrar evidências espectrais de excitações de spinon de Dirac sempre foi um desafio. Esta descoberta fornece evidências convincentes da existência de um estado líquido de spin quântico de Dirac, que pode ser semelhante a um grito claro cortando a névoa da investigação espectral sobre o estado líquido de spin quântico.

As descobertas não apenas avançam nossa compreensão fundamental da física da matéria condensada, mas também abrem portas para uma maior exploração das propriedades e aplicações do YCu₃ .

Caracterizado pela presença de excitações fracionárias de spinon, o estado líquido de spin quântico é potencialmente relevante para supercondutividade de alta temperatura e informação quântica. Neste estado, os spins ficam altamente emaranhados e permanecem desordenados mesmo em baixas temperaturas.

Portanto, investigar os sinais espectrais decorrentes de spinons que obedecem à equação de Dirac forneceria uma compreensão mais ampla do estado líquido de spin quântico da matéria. Tal compreensão também serve como um guia para suas aplicações mais amplas, incluindo a exploração de supercondutividade em alta temperatura e informações quânticas.

Mais informações: Zhenyuan Zeng et al, Evidência espectral para spinons de Dirac em um antiferromagneto de rede kagome, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pela Universidade de Hong Kong

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