פיזיקאים חושפים מצב קוונטי חדש יוצא דופן המכונה "Dirac Spin Liquid"

חוקרים ב-HKU גילו ספינים של Dirac בחומר YCu3-Br, מה שסיפק עדות למצב נוזלי ספין קוונטי ועלול לקדם יישומים ב מחשוב קוונטי ומוליכות-על בטמפרטורה גבוהה.

קוואזי-חלקיקים הם ישויות מרתקות הנובעות מהתנהגות קולקטיבית בתוך חומרים וניתן להתייחס אליהם כאל קבוצה של חלקיקים. באופן ספציפי, ספינונים של דיראק צפויים להפגין מאפיינים ייחודיים הדומים לחלקיקי דיראק בפיזיקה עתירת אנרגיה ואלקטרוני דיראק ב גרפן וחומרי קוואנטום מוריה, כגון יחס פיזור ליניארי בין אנרגיה למומנטום. עם זאת, קוואזי-חלקיקים ניטרליים של ספין-½ מטען לא נצפו במגנטים קוונטיים עד לעבודה זו.

"למצוא ספינים של דיראק במגנטים קוונטיים היה חלומם של דורות של פיזיקאים של חומר מעובה; כעת, לאחר שראינו את ההוכחות לכך, אפשר להתחיל לחשוב על אינספור היישומים הפוטנציאליים של חומר קוונטי כה מסובך. מי יודע, אולי אנשים ביום אחד יבנו עם זה מחשבים קוונטיים, בדיוק כפי שאנשים עשו בחצי המאה האחרונה עם סיליקון", אמר פרופסור מנג, פיזיקאי HKU ואחד המחברים המקבילים של המאמר.

החקירה של הצוות התמקדה בחומר ייחודי המכונה YCu3-Br, המאופיין במבנה סריג קגומה המוביל להופעת חלקיקים חמקמקים אלה. מחקרים קודמים רמזו על הפוטנציאל של החומר להציג מצב נוזלי ספין קוונטי, מה שהופך אותו למועמד אידיאלי למחקר. על מנת לאפשר תצפית של ספינונים ב-YCu3-Br, צוות המחקר התגבר על אתגרים רבים על ידי הרכבה של כ-5,000 גבישים בודדים יחד, תוך עמידה בדרישות לביצוע ניסויים כגון פיזור נויטרונים לא אלסטי.

תוך שימוש בטכניקות מתקדמות כמו פיזור ניטרונים לא אלסטי, הצוות בדק את עירורי הספין של החומר וצפה בדפוסי רצף ספין חרוטי מסקרנים, המזכירים את חרוט דיראק האופייני. בעוד שזיהוי ישיר של ספינון בודד הוכיח את עצמו כמאתגר בשל מגבלות הניסוי, הצוות השווה את הממצאים שלהם עם תחזיות תיאורטיות, וחשף מאפיינים ספקטרליים מובהקים המעידים על נוכחותם של ספינים בחומר.

מציאת עדויות ספקטרליות לעירורי ספין של דיראק תמיד הייתה אתגר. תגלית זו מספקת ראיות משכנעות לקיומו של מצב נוזל ספין קוונטי של דיראק, שיכול להיות דומה לזעקה ברורה החותכת את הערפל של חקירה ספקטרלית על מצב נוזל הספין הקוונטי. הממצאים לא רק מקדמים את ההבנה הבסיסית שלנו בפיזיקה של החומר המעובה, אלא גם פותחים דלתות לחקירה נוספת של המאפיינים והיישומים של YCu3-Br.

מאופיין בנוכחות של עירורי ספין חלקיים, מצב הספין הקוונטי עשוי להיות רלוונטי למוליכות-על בטמפרטורה גבוהה ולמידע קוונטי. במצב זה, הספינים סבוכים מאוד ונשארים לא מסודרים גם בטמפרטורות נמוכות. לכן, חקירת האותות הספקטרליים הנובעים מספינונים המצייתים למשוואת דיראק תספק הבנה רחבה יותר של מצב הספין הקוונטי של החומר. הבנה כזו משמשת גם כנקודת הדרכה ליישומים הרחבים יותר שלה, כולל חקר מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה ומידע קוונטי.

המחקר נתמך על ידי משרד המדע והטכנולוגיה של סין, האקדמיה הסינית למדעים ומענקים ממועצת מענקי המחקר של הונג קונג. מדידות פיזור ניוטרונים בוצעו ב-AMATERAS, J-PARC.