Quasipartículas, como os spinons de Dirac, emergem do comportamento coletivo em materiais e exibem características únicas, como uma relação linear entre energia e momento, mas não haviam sido observadas em ímãs quânticos até agora. Pesquisadores da HKU encontraram evidências desses spinons em YCu3-Br, um material com rede kagome, usando técnicas avançadas para superar desafios experimentais significativos. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisadores da HKU descobriram spinons de Dirac no material YCu3-Br, fornecendo evidências de um estado líquido de spin quântico e aplicações potencialmente avançadas em Computação quântica e supercondutividade de alta temperatura.
Quasipartículas são entidades fascinantes que surgem do comportamento coletivo dentro dos materiais e podem ser tratadas como um grupo de partículas. Especificamente, espera-se que os spinons de Dirac exibam características únicas semelhantes às partículas de Dirac na física de alta energia e aos elétrons de Dirac em grafeno e materiais moiré quânticos, como uma relação de dispersão linear entre energia e momento. No entanto, quasipartículas com carga neutra de spin-½ não haviam sido observadas em ímãs quânticos até este trabalho.
‘“Encontrar spinons de Dirac em ímãs quânticos tem sido o sonho de gerações de físicos da matéria condensada; agora que vimos as evidências deles, podemos começar a pensar nas inúmeras aplicações potenciais desse material quântico altamente emaranhado. Quem sabe, talvez um dia as pessoas construam computadores quânticos com ele, assim como têm feito no último meio século com o silício’”, disse o professor Meng, físico da HKU e um dos autores correspondentes do artigo.
a. Diagrama esquemático das excitações cônicas dos spinons de Dirac e do espectro contínuo cônico formado por dois spinons. b. Diagrama esquemático das excitações de spin cônico em YCu3(OH)6Br2(Br0,33(OD)0,67). c. Relação entre meia largura a meio máximo e energia. A linha sólida representa um ajuste linear. d. Uma imagem ampliada de alguns cristais co-alinhados e a vista frontal de amostras co-alinhadas em duas placas de Cu. Crédito: Universidade de Hong Kong
A investigação da equipe se concentrou em um material único conhecido como YCu3-Br, caracterizado por uma estrutura de rede kagome que leva ao aparecimento dessas esquivas quasipartículas. Estudos anteriores sugeriram o potencial do material para exibir um estado líquido de spin quântico, tornando-o um candidato ideal para exploração. Para permitir a observação de spinons em YCu3-Br, a equipe de pesquisa superou inúmeros desafios ao montar aproximadamente 5.000 cristais únicos, atendendo aos requisitos para a realização de experimentos como espalhamento inelástico de nêutrons.
Usando técnicas avançadas como espalhamento inelástico de nêutrons, a equipe investigou as excitações de spin do material e observou intrigantes padrões cônicos de spin contínuo, que lembram o característico cone de Dirac. Embora a detecção direta de spinons únicos tenha sido um desafio devido a limitações experimentais, a equipe comparou suas descobertas com previsões teóricas, revelando características espectrais distintas indicativas da presença de spinons no material.
Dr. Chengkang Zhou (à esquerda) e o Professor Zi Yang Meng (à direita) do Departamento de Física da Universidade de Hong Kong. Crédito: Universidade de Hong Kong
Encontrar evidências espectrais de excitações de spinon de Dirac sempre foi um desafio. Esta descoberta fornece evidências convincentes da existência de um estado líquido de spin quântico de Dirac, que pode ser semelhante a um grito claro atravessando a névoa da investigação espectral sobre o estado líquido de spin quântico. As descobertas não apenas avançam nossa compreensão fundamental da física da matéria condensada, mas também abrem portas para uma maior exploração das propriedades e aplicações do YCu3-Br.
Excitações de spin em YCu3(OD)6(Br0,33(OD)0,67) medidas através do espalhamento de nêutrons. e,f, gráficos de contorno de intensidade dos resultados do INS em função de E e Q ao longo da direção (H, 0) em 0,3 K (e) e 30 K (f). Crédito: Universidade de Hong Kong
Caracterizado pela presença de excitações fracionárias de spinon, o estado líquido de spin quântico é potencialmente relevante para supercondutividade de alta temperatura e informação quântica. Neste estado, os spins ficam altamente emaranhados e permanecem desordenados mesmo em baixas temperaturas. Portanto, investigar os sinais espectrais decorrentes de spinons que obedecem à equação de Dirac forneceria uma compreensão mais ampla do estado líquido de spin quântico da matéria. Tal compreensão também serve como um guia para suas aplicações mais amplas, incluindo a exploração de supercondutividade em alta temperatura e informações quânticas.
Referência: “Evidência espectral para spinons de Dirac em um antiferromagneto de rede kagome” por Zhenyuan Zeng, Chengkang Zhou, Honglin Zhou, Lankun Han, Runze Chi, Kuo Li, Maiko Kofu, Kenji Nakajima, Yuan Wei, Wenliang Zhang, Daniel G. Mazzone, Zi Yang Meng e Shiliang Li, 9 de maio de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02495-z
O estudo foi apoiado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia da China, pela Academia Chinesa de Ciências e por bolsas do Conselho de Bolsas de Pesquisa de Hong Kong. Medições de espalhamento de nêutrons foram realizadas em AMATERAS, J-PARC.
