ライス大学の物理学者Pengcheng Dai氏が率いるチームが、量子スピン液体材料における光子様の現れ行動を確認した。セリウムジルコニウム酸化物での発見は、真の三次元量子スピンアイスを検証する。この画期的な成果は、凝縮系物理学における長年の謎を解決する。
物理学者たちは長年、量子スピン液体の振る舞いに困惑してきた。これらは典型的な磁気秩序に逆らう材料である。Nature Physicsに掲載された研究で、研究者たちはセリウムジルコニウム酸化物（Ce₂Zr₂O₇）における現れ光子と分画スピン励起の存在を検証した。ライス大学の物理学・天文学Sam and Helen Worden教授Pengcheng Dai氏が率いるチームは、絶対零度近くの温度でこれらの現象を観測するため先進的な手法を用いた。
量子スピン液体は、磁気モーメントを絡み合わせた状態で絶えず運動させ、従来の磁石に見られる秩序あるパターンを避ける。この状態は量子電磁力学の側面を模倣し、量子コンピューティングや効率的なエネルギー伝送に有望である。Ce₂Zr₂O₇材料は、三次元量子スピンアイスの純粋な例として浮上した。
これらの捉えどころのない信号を検出するため、研究者たちは偏光中性子散乱を活用し、温度がゼロに向かって低下するにつれ磁気寄与を分離しノイズを最小化した。彼らのデータは低エネルギーで現れ光子信号を明らかにし、量子スピンアイスを他の磁気相から区別した。比熱測定はこれをさらに裏付け、固体中の音波に似た分散パターンを示した。
「これらの励起を直接検出することで、主要な未解決問題に答えを出した」とDai氏は述べた。「これによりCe₂Zr₂O₇が真の量子スピンアイスとして振る舞うことが確認された。」
以前の試みは技術的制限と不純サンプルにより困難を極めたが、欧州と北米のラボの改良された準備と機器により明確な結果が得られた。チームはスピノンも観測し、理論的予測を強化した。
研究の主任著者でライスの研究科学者Bin Gao氏は、広範な影響を指摘した：「この驚くべき結果は、こうした独特な材料をより深く探求するよう科学者を促し、極限量子領域での磁石や材料の振る舞いに対する理解を変える可能性がある。」
共著者にはトロント大学、ウィーン工科大学、Laue-Langevin研究所、ユーリッヒセンター、ラトガース大学の専門家が含まれる。資金は米国エネルギー省、Gordon and Betty Moore財団、Robert A. Welch財団から。
この観測は、絡み合った量子物質とその技術応用を探求するための強固な基盤を提供する。