Un equipo de investigación global dirigido por el físico Pengcheng Dai de la Universidad Rice ha verificado la presencia de fotones emergentes y excitaciones de espín fraccionales en un líquido de espín cuántico inusual. ha sido reportado Física de la naturalezaEl trabajo apunta al óxido cristalino de cerio y circonio (Ce2Zr2O7) como un claro ejemplo tridimensional de este exótico estado de la materia.
Los espines cuánticos han fascinado a los físicos de fluidos durante años porque eventualmente podrían respaldar tecnologías transformadoras, incluida la computación cuántica y la transmisión de energía sin pérdidas. A diferencia de los imanes ordinarios que se asientan en un patrón ordenado, estos materiales evitan el orden magnético convencional. En cambio, sus momentos magnéticos están fuertemente acoplados cuánticamente y en constante movimiento colectivo a temperaturas cercanas al cero absoluto, produciendo un comportamiento que se asemeja a la electrodinámica cuántica emergente.
“Respondimos una gran pregunta abierta al detectar estas excitaciones directamente”, dijo Dye, profesor de Física y Astronomía Sam y Helen Worden. “Esto confirma que Ce2Zr2O7 Un verdadero espín cuántico se comporta como el hielo, una clase especial de fluidos de espín cuántico en tres dimensiones”.
Mediciones más limpias con dispersión de neutrones polarizados
Para precisar estas esquivas firmas, los investigadores se basaron en la dispersión mejorada de neutrones polarizados. Este enfoque les permitió aislar cuidadosamente la dispersión magnética mientras filtraban otras señales, incluso cuando el sistema se acercaba al límite de temperatura cero.
Sus mediciones también revelaron señales de fotones emergentes de energía cercana a cero, una característica definitoria que distingue el hielo de espín cuántico de las fases más familiares que se encuentran en los imanes convencionales. La evidencia adicional proviene de mediciones de calor específicas, que respaldan la idea de que estos fotones emergentes predichos siguen una dispersión que se asemeja al movimiento del sonido a través de un sólido.
Los intentos anteriores de determinar tal comportamiento a menudo estuvieron plagados de ruido técnico y datos incompletos. El equipo dirigido por Rice abordó esos desafíos mediante la preparación avanzada de muestras e instrumentación de alta precisión, respaldado por un esfuerzo internacional que involucra a importantes laboratorios de Europa y América del Norte.
Una observación única en su tipo con grandes implicaciones
En este material candidato tridimensional, los investigadores observaron fotones y espinones emergentes, características clave del hielo de espín cuántico. El resultado resuelve una controversia de larga data en la física de la materia condensada y brinda a los científicos una poderosa plataforma para estudiar la próxima generación de fenómenos cuánticos y posibles vías tecnológicas.
Bin Gao, científico investigador del Departamento de Física y Astronomía de Rice y primer autor del estudio, dijo que los resultados respaldan décadas de expectativas teóricas.
“Este sorprendente resultado anima a los científicos a profundizar en materiales tan únicos, lo que podría cambiar la forma en que entendemos el magnetismo y el comportamiento de la materia en el régimen cuántico extremo”, dijo Gao.
Equipo de investigación y financiación.
Los coautores del estudio incluyen a Felix Desrochers y Young Baek Kim de la Universidad de Toronto; el ex alumno de Rice, David Tam, del Instituto Paul Scherer; Silke Paschen, Diana Kirschbaum y Duy Ha Nguyen de la Universidad Tecnológica de Viena; Paul Steffens y Arno Heiss del Instituto Lau-Langevin; Yixi Su del Centro Jülich del Heinz Maier-Leibnitz Zentrum; y Sang-Wook Cheong de la Universidad de Rutgers.
El Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Robert A. Welch apoyaron esta investigación.
