Nanotechnology Now - Press Release: Three-pronged Approach Discerns Qualities Of Quantum Spin Liquids

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An illustration of the lattice examined by Phil Anderson in the early ‘70s. Shown as green ellipses, pairs of quantum particles fluctuated among multiple combinations to produce a spin liquid state.

CRÉDITO
Allen Scheie/Laboratório Nacional de Los Alamos, Departamento de Energia dos EUA

Abstrato:
Em 1973, o físico Phil Anderson levantou a hipótese de que o estado do líquido de spin quântico, ou QSL, existia em algumas redes triangulares, mas ele não tinha as ferramentas para se aprofundar. Cinquenta anos depois, uma equipe liderada por pesquisadores associados ao Quantum Science Center, sediado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, confirmou a presença do comportamento QSL em um novo material com esta estrutura, KYbSe2.

A abordagem tripartida discerne as qualidades dos líquidos de spin quântico

Oak Ridge, Tennessee | Postado em 17 de novembro de 2023

QSLs - um estado incomum da matéria controlado por interações entre átomos magnéticos emaranhados ou intrinsecamente ligados, chamados spins - são excelentes na estabilização da atividade da mecânica quântica em KYbSe2 e outros delafossitas. Esses materiais são valorizados por suas redes triangulares em camadas e propriedades promissoras que poderiam contribuir para a construção de supercondutores e componentes de computação quântica de alta qualidade.

O artigo, publicado na Nature Physics, apresenta pesquisadores do ORNL; Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; Laboratório Nacional de Los Alamos; Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC; a Universidade do Tennessee, Knoxville; a Universidade do Missouri; a Universidade de Minnesota; Universidade de Stanford; e o Instituto de Física Rosário.

“Os pesquisadores estudaram a rede triangular de vários materiais em busca do comportamento do QSL”, disse Allen Scheie, membro do QSC e autor principal, cientista da equipe de Los Alamos. “Uma vantagem deste é que podemos trocar átomos facilmente para modificar as propriedades do material sem alterar a sua estrutura, e isso o torna bastante ideal do ponto de vista científico.”

Usando uma combinação de técnicas teóricas, experimentais e computacionais, a equipe observou múltiplas características dos QSLs: emaranhamento quântico, quasipartículas exóticas e o equilíbrio certo de interações de troca, que controlam como um spin influencia seus vizinhos. Embora os esforços para identificar essas características tenham sido historicamente prejudicados pelas limitações dos experimentos físicos, os modernos instrumentos de dispersão de nêutrons podem produzir medições precisas de materiais complexos em nível atômico.

Ao examinar a dinâmica de spin do KYbSe2 com o Cold Neutron Chopper Spectrometer na Spallation Neutron Source do ORNL - uma instalação do usuário do DOE Office of Science - e comparar os resultados com modelos teóricos confiáveis, os pesquisadores encontraram evidências de que o material estava próximo do ponto crítico quântico em que As características do QSL prosperam. Eles então analisaram seu estado magnético de íon único com o espectrômetro Chopper de amplo alcance angular do SNS.

As testemunhas em questão são as informações de Fisher de um emaranhado, dois emaranhados e quânticas, que desempenharam um papel fundamental em pesquisas anteriores de QSC focadas no exame de uma cadeia de spin 1D, ou uma única linha de spins dentro de um material. KYbSe2 é um sistema 2D, uma qualidade que tornou esses esforços mais complexos.

“Estamos adotando uma abordagem de co-design, que está integrada ao QSC”, disse Alan Tennant, professor de física e ciência e engenharia de materiais na UTK que lidera um projeto de ímãs quânticos para o QSC. “Os teóricos do centro estão calculando coisas que não conseguiam calcular antes, e essa sobreposição entre teoria e experimento permitiu esse avanço na pesquisa de QSL.”

Este estudo está alinhado com as prioridades do QSC, que incluem conectar pesquisas fundamentais à eletrônica quântica, ímãs quânticos e outros dispositivos quânticos atuais e futuros.

“Obter uma melhor compreensão dos QSLs é realmente significativo para o desenvolvimento de tecnologias de próxima geração”, disse Tennant. “Este campo ainda está em estado de pesquisa fundamental, mas agora podemos identificar quais materiais podemos modificar para potencialmente fabricar dispositivos em pequena escala a partir do zero.”

Embora KYbSe2 não seja um verdadeiro QSL, o fato de cerca de 85% do magnetismo flutuar em baixas temperaturas significa que ele tem potencial para se tornar um. Os pesquisadores antecipam que pequenas alterações em sua estrutura ou exposição a pressões externas poderiam potencialmente ajudá-lo a atingir 100%.

Experimentistas e cientistas computacionais do QSC estão planejando estudos paralelos e simulações focadas em materiais delafossita, mas as descobertas dos pesquisadores estabeleceram um protocolo sem precedentes que também pode ser aplicado para estudar outros sistemas. Ao simplificar as avaliações baseadas em evidências de candidatos a QSL, eles visam acelerar a busca por QSLs genuínos.

“O importante sobre este material é que encontramos uma maneira de nos orientar no mapa, por assim dizer, e mostrar o que acertamos”, disse Scheie. “Temos certeza de que existe um QSL completo em algum lugar deste espaço químico e agora sabemos como encontrá-lo.”

Este trabalho recebeu apoio do DOE, do QSC, do Conselho Nacional de Pesquisa Científica e Técnica e da Fundação Simons.

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Sobre o DOE/Laboratório Nacional de Oak Ridge
O QSC, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE liderado pelo ORNL, realiza pesquisas de ponta em laboratórios nacionais, universidades e parceiros da indústria para superar os principais obstáculos na resiliência do estado quântico, na controlabilidade e, em última análise, na escalabilidade das tecnologias quânticas. Os pesquisadores do QSC estão projetando materiais que permitem a computação quântica topológica; implementação de novos sensores quânticos para caracterizar estados topológicos e detectar matéria escura; e projetar algoritmos e simulações quânticas para fornecer uma maior compreensão de materiais quânticos, química e teorias de campos quânticos. Essas inovações permitem que o QSC acelere o processamento de informações, explore o que antes não era mensurável e preveja melhor o desempenho quântico entre tecnologias. Para mais informações visite https://qscience.org .

UT-Battelle gerencia ORNL para o Office of Science do DOE, o maior apoiador da pesquisa básica em ciências físicas nos Estados Unidos. O Escritório de Ciência do DOE está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes do nosso tempo. Para mais informações visite https://energy.gov/science . - Elizabeth Rosenthal

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Contactos:
Elizabeth Rosenthal
DOE/Laboratório Nacional de Oak Ridge
Escritório: 865-241-6579

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Fonte: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57422