Nanotechnology Now - Comunicado de prensa: Un enfoque triple discierne las cualidades de los líquidos de espín cuántico

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Una ilustración de la red examinada por Phil Anderson a principios de los años 70. Mostrados como elipses verdes, pares de partículas cuánticas fluctuaron entre múltiples combinaciones para producir un estado líquido de espín.

CRÉDITO
Allen Scheie/Laboratorio Nacional de Los Álamos, Departamento de Energía de EE. UU.

Abstracto:
En 1973, el físico Phil Anderson planteó la hipótesis de que el estado líquido de espín cuántico, o QSL, existía en algunas redes triangulares, pero carecía de las herramientas para profundizar más. Cincuenta años después, un equipo liderado por investigadores asociados al Centro de Ciencias Cuánticas con sede en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ha confirmado la presencia del comportamiento QSL en un nuevo material con esta estructura, KYbSe2.

Un enfoque triple discierne las cualidades de los líquidos de espín cuántico

Oak Ridge, Tennessee | Publicado el 17 de noviembre de 2023

Los QSL, un estado inusual de la materia controlado por interacciones entre átomos magnéticos entrelazados o intrínsecamente unidos llamados espines, destacan en la estabilización de la actividad mecánica cuántica en KYbSe2 y otros delafossitos. Estos materiales son apreciados por sus redes triangulares en capas y propiedades prometedoras que podrían contribuir a la construcción de superconductores y componentes de computación cuántica de alta calidad.

El artículo, publicado en Nature Physics, presenta a investigadores de ORNL; Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Laboratorio Nacional de Los Álamos; Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC; la Universidad de Tennessee, Knoxville; la Universidad de Missouri; la Universidad de Minnesota; Universidad Stanford; y el Instituto de Física de Rosario.

"Los investigadores han estudiado la red triangular de varios materiales en busca del comportamiento de QSL", dijo el miembro de QSC y autor principal Allen Scheie, científico de Los Alamos. "Una ventaja de este es que podemos intercambiar átomos fácilmente para modificar las propiedades del material sin alterar su estructura, y esto lo hace bastante ideal desde una perspectiva científica".

Utilizando una combinación de técnicas teóricas, experimentales y computacionales, el equipo observó múltiples características de las QSL: entrelazamiento cuántico, cuasipartículas exóticas y el equilibrio adecuado de las interacciones de intercambio, que controlan cómo un espín influye en sus vecinos. Aunque los esfuerzos para identificar estas características se han visto históricamente obstaculizados por las limitaciones de los experimentos físicos, los instrumentos modernos de dispersión de neutrones pueden producir mediciones precisas de materiales complejos a nivel atómico.

Al examinar la dinámica de espín de KYbSe2 con el espectrómetro de picador de neutrones fríos en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y comparar los resultados con modelos teóricos confiables, los investigadores encontraron evidencia de que el material estaba cerca del punto crítico cuántico en el que Las características QSL prosperan. Luego analizaron su estado magnético de ión único con el espectrómetro picador de amplio rango angular del SNS.

Los testigos en cuestión son la información de Fisher de uno, dos enredos y cuántica, que ha desempeñado un papel clave en investigaciones anteriores de QSC centradas en examinar una cadena de espín 1D, o una sola línea de espines dentro de un material. KYbSe2 es un sistema 2D, una cualidad que hizo que estos esfuerzos fueran más complejos.

"Estamos adoptando un enfoque de codiseño, que está integrado en el QSC", dijo Alan Tennant, profesor de física y ciencia e ingeniería de materiales en UTK, quien dirige un proyecto de imanes cuánticos para el QSC. "Los teóricos del centro están calculando cosas que no habían podido calcular antes, y esta superposición entre teoría y experimento permitió este gran avance en la investigación de QSL".

Este estudio se alinea con las prioridades del QSC, que incluyen conectar la investigación fundamental con la electrónica cuántica, los imanes cuánticos y otros dispositivos cuánticos actuales y futuros.

"Obtener una mejor comprensión de las QSL es realmente importante para el desarrollo de tecnologías de próxima generación", dijo Tennant. "Este campo aún se encuentra en un estado de investigación fundamental, pero ahora podemos identificar qué materiales podemos modificar para potencialmente fabricar dispositivos a pequeña escala desde cero".

Aunque KYbSe2 no es una verdadera QSL, el hecho de que alrededor del 85% del magnetismo fluctúe a baja temperatura significa que tiene el potencial de convertirse en uno. Los investigadores anticipan que ligeras alteraciones en su estructura o la exposición a presión externa podrían ayudarlo a alcanzar el 100%.

Los experimentadores y científicos computacionales de QSC están planeando estudios y simulaciones paralelos centrados en materiales de delafossita, pero los hallazgos de los investigadores establecieron un protocolo sin precedentes que también se puede aplicar para estudiar otros sistemas. Al simplificar las evaluaciones basadas en evidencia de los candidatos a QSL, su objetivo es acelerar la búsqueda de QSL genuinas.

"Lo importante de este material es que hemos encontrado una manera de orientarnos en el mapa, por así decirlo, y mostrar lo que hemos hecho bien", dijo Scheie. "Estamos bastante seguros de que hay una QSL completa en algún lugar dentro de este espacio químico, y ahora sabemos cómo encontrarla".

Este trabajo recibió el apoyo del DOE, el QSC, el Consejo Nacional de Investigación Científica y Técnica y la Fundación Simons.

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Acerca del Laboratorio Nacional DOE/Oak Ridge
El QSC, un Centro Nacional de Investigación en Ciencias de la Información Cuántica del DOE dirigido por ORNL, realiza investigaciones de vanguardia en laboratorios nacionales, universidades y socios industriales para superar obstáculos clave en la resiliencia, controlabilidad y, en última instancia, escalabilidad de las tecnologías cuánticas del estado cuántico. Los investigadores del QSC están diseñando materiales que permitan la computación cuántica topológica; implementar nuevos sensores cuánticos para caracterizar estados topológicos y detectar materia oscura; y diseñar algoritmos y simulaciones cuánticas para proporcionar una mayor comprensión de los materiales cuánticos, la química y las teorías cuánticas de campos. Estas innovaciones permiten al QSC acelerar el procesamiento de información, explorar lo que antes no se podía medir y predecir mejor el rendimiento cuántico en todas las tecnologías. Para más información visite https://qscience.org .

UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias del DOE está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para más información visite https://energy.gov/science . —Elizabeth Rosenthal

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Contactos:
elizabeth rosenthal
DOE/Laboratorio Nacional de Oak Ridge
Oficina: 865-241 6579-

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