Sciencemag.cz
Doporučujeme
Speciální sloučenina ceru, zirkonia a kyslíku Ce2Zr2O7 by měla být 3D kvantovou spinovou kapalinou.
Spinové kapaliny jsou pevné materiály (navíc se obvykle pohybujeme v rozmezí velmi nízkých teplot). To, co je v nich „tekuté“, je spin. Elektrony jsou energeticky frustrované, jejich magnetické momenty se nedokážou uspořádat do nějakého stavu s minimem energie, takže spiny neustále fluktuují. Navíc (ve spinových kapalinách „kvantových“) jsou spiny ovšem delokalizovány a pořádně se neuspořádají ani za velmi nízkých teplot. Jiné přirovnání pak v této souvislosti popisuje elektrony jako rozdělené („frakcionalizace“) na dvě částice, kdy každá má svůj vlastní spin.
Byla již navržena celá řada materiálů, která by měla být kvantovými spinovými kapalinami: ať už v monovrstvě (2D) nebo v podobě klasického objemového krystalu. Andriy Nevidomskyy z Rice University nicméně uvádí, že přes několik oznámení o „objevu kvantové spinové kapaliny“ ve skutečnosti mezi fyziky nepanuje shoda, zda některý z materiálů splňuje všechny podmínky. Nový výzkum vědců z Rice, Florida State University a Max Planck Institute for Physics of Complex Systems v Drážďanech tvrdí, že je ovšem pyrochlor ceru a zirkonia Ce2Zr2O7 (poznámka: pyrochlory jsou skupina minerálů, obsahujících obvykle hlavně niob a kyslík, s chlorem nemají společného nic), navržený jako 3D kvantová spinová kapalina v roce 2019, požadované vlastnosti skutečně má. Nový výsledek je ovšem založen na výpočetní simulaci, nejde o nějaké experimentální ověření. Naopak experimentálního typu byl původní výsledek z roku 2019, kdy pokusy s nepružným rozptylem neutronů odhalily charakteristický znak kvantové spinové kapaliny: tzv. kontinuum spinových excitací měřených při teplotách pouhých 35 milikelvinů.
Podle autorů nové studie je na tom všem velmi zajímavá zajímavá také souvislost mezi kvantovými spinovými kapalinami a magnetickými monopóly. Magnetickými monopóly se obvykle zabývají úplně jiné obory fyziky, hlavně kosmologie a fyzika vysokých energií.
„Frakcionalizací se v případě kvantových spinových kapalin myslí, že systém se chová, jako by se elektrony rozdělovaly na dvě poloviny, které se pak pohybují samostatně a později se někde znovu spojí,“ uvádí v této souvislosti A. Nevidomskyy. „A v pyrochlorových magnetech, jako je ten, který jsme studovali, se tyto putující objekty navíc chovají jako kvantové magnetické monopóly. Jediné otočení spinu vytvoří dvě frakcionované kvazičástice, tzv. spinony, které se chovají jako monopóly a putují po krystalové mřížce.“
Anish Bhardwaj et al, Sleuthing out exotic quantum spin liquidity in the pyrochlore magnet Ce2Zr2O7, npj Quantum Materials (2022). DOI: 10.1038/s41535-022-00458-2
Zdroj: Rice University / Phys.org
Poznámka PH: Pro zájemce: samotná tisková zpráva obsahuje další podrobnosti, laicky ještě méně srozumitelné. Protože látka má strukturu čtyřstěnu, podle studie při nízkých teplotách vytvářejí oktupolární magnetické momenty – spinonům podobné magnetické kvazičástice s osmi póly. Spinony v materiálu vznikají jak z těchto oktupolárních zdrojů, tak z „běžných“ dipolárních spinových momentů. Atd.
Dále se i zmiňuje rozdíl mezi „surovým“ a „kvantovým“ magnetickým monopólem.
