Ett team ledd av fysikern vid Rice University Pengcheng Dai har bekräftat emergenta fotonliknande beteenden i ett kvantspinnvätskematerial. Upptäckten i cerium-zirkoniumoxid verifierar en äkta tredimensionell kvantspinnis. Detta genombrott löser ett långvarigt pussel inom kondenserade materiens fysik.
Fysiker har länge grubblat över beteendet hos kvantspinnvätskor, material som trotsar typisk magnetisk ordning. I en studie publicerad i Nature Physics verifierade forskarna existensen av emergenta fotoner och fraktionerade spin-excitationer i cerium-zirkoniumoxid (Ce₂Zr₂O₇). Ledd av Pengcheng Dai, Sam and Helen Worden-professor i fysik och astronomi vid Rice University, använde teamet avancerade tekniker för att observera dessa fenomen vid temperaturer nära absolut noll.
Kvantspinnvätskor bibehåller intrasslade magnetiska moment i konstant rörelse, undvikande de ordnade mönstren som ses i konventionella magneter. Detta tillstånd efterliknar aspekter av kvantelektrodynamik och lovar för kvantdatorer och effektiv energitransmission. Materialet Ce₂Zr₂O₇ framträdde som ett rent exempel på en tredimensionell kvantspinnis.
För att detektera dessa undanglidande signaler använde forskarna poläriserad neutronstrålning, som isolerade magnetiska bidrag samtidigt som brus minimerades när temperaturerna sjönk mot noll. Deras data avslöjade emergenta fotonsignaler vid låga energier, skiljande kvantspinnis från andra magnetiska faser. Värmekapacitetsmätningar bekräftade detta ytterligare, visa dispersionsmönster liknande ljudvågor i fasta ämnen.
"Vi har besvarat en stor öppen fråga genom att direkt detektera dessa excitationer", sa Dai. "Detta bekräftar att Ce₂Zr₂O₇ beter sig som en äkta kvantspinnis."
Tidigare försök stötte på utmaningar från tekniska begränsningar och orena prover, men förbättrad förberedelse och instrument från labb i Europa och Nordamerika möjliggjorde klarare resultat. Teamet observerade också spinoner, stärkt teoretiska förutsägelser.
Bin Gao, studiens försteförfattare och forskarvetare vid Rice, noterade den bredare betydelsen: "Detta överraskande resultat uppmuntrar forskare att gräva djupare i sådana unika material, potentiellt förändra hur vi förstår magneter och materialbeteende i den extrema kvantregimen."
Medförfattare inkluderar experter från University of Toronto, Vienna University of Technology, Institut Laue-Langevin, Jülich Centre och Rutgers University. Finansiering kom från U.S. Department of Energy, Gordon and Betty Moore Foundation och Robert A. Welch Foundation.
Denna observation ger en robust plattform för att utforska intrasslad kvantmateria och dess teknologiska tillämpningar.
