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2024-08-23 18:27:37
ランベイナイト族の物質の近傍で 3D 量子スピン液体が発見されました。この物質の特殊な結晶構造とその結果生じる磁気相互作用により、流動性の島にまで遡ることができる異常な挙動が誘発されます。国際チームが ISIS 中性子源での実験とニッケル ランベイナイト サンプルの理論モデル化によりこの発見を行いました。
結晶格子内のスピンが揃って最小エネルギーに達することができない場合、これを磁気フラストレーションと呼びます。このフラストレーションが十分に大きくなると、温度がゼロに近づき、物質が量子スピン液体として動作しても、スピンは無秩序に変動し続けます。量子スピン液体 (QSL) には、トポロジカルに保護された現象など、将来特に安定した量子ビットに潜在的に役立つ優れた特性があります。当初、量子スピン液体は主に 2 次元構造で研究されていましたが、この現象は 3D 構造でも発生する可能性がありますが、頻度ははるかに低くなります。
フラストレーションの探求
国際協力により、3D 構造を持つ新しい種類の材料でこの挙動が実証されました。ランゲバイナイトは硫酸塩鉱物で、自然界ではめったに見つかりません。合計式で 1 つまたは 2 つの要素を置き換えると、すべてこの種類の材料に属するバリエーションが生成されます。
この研究のために、分子式 K2Ni2(SO4)3 の人工ランベイナイト結晶が作られました。磁性元素ニッケルがここで重要な役割を果たします。ニッケルイオンは、互いに絡み合った 2 つのいわゆるトリリウム格子を形成します。これにより、望ましい磁気フラストレーションが生成され、外部磁場を適用するとさらに強化されます。ニッケルイオンの磁気モーメントは、エネルギー的に有利な方法ですべて整列することはできず、変動して量子スピン液体を形成します。
中性子データと理論：ほぼ完璧な一致
EPFL の Ivica Živković 氏が率いるチームは、オックスフォードにある英国中性子源 ISIS で磁気変動を測定することに成功した。サンプルは、極低温だけでなく、「ぬるい」2 ケルビンでも量子スピン液体のように動作する。
HZB理論家ヨハネス・ルーサー率いるチームは、いくつかの理論的手法を用いて測定データを説明することができた。「我々の理論的な相図は、強くフラストレーションのあるテトラトリリウム格子の中心に『流動性の島』さえ特定している」と、モンテカルロシミュレーションを実施したルーサーチームのポスドク研究員で、本研究の第一著者であるマティアス・ゴンザレスは言う。博士課程の学生ヴィンセント・ノクラクは、ルーサーが数年前に開発したファインマン図に基づく手法（擬似フェルミオン関数再正規化グループ、PFFRG）を用いて、スピン間の相互作用を計算した。測定データと理論結果の一致は驚くほど良好である。「極めて複雑な相互作用にもかかわらず、このシステムを非常によく再現できる」とルーサーは言う。
ランベイン地区のQSL候補者
ラングバイナイトは、大規模でほとんど未開拓の物質群です。この研究は、量子挙動の探索がここで価値あるものになることを示しています。HZB 物理学者ベラ・レイク率いるチームは、この物質群の新たな代表例をすでに合成しており、これは 3D 量子スピン液体とも見なすことができます。「これはまだ純粋に基礎科学です」とヨハネス・ロイターは強調します。「しかし、新しいタイプの量子物質への関心が高まるにつれて、ラングバイナイト物質は量子情報の用途で興味深いものになる可能性があります。」
#ラングバイナイトは3D量子スピン液体としての才能を発揮する