Fizikçiler Bilimciler "Dirac Spin Liquid" Olarak Bilinen Olağandışı Yeni Kuantum Durumunu Keşfetti...

Dirac spinonları gibi yarı parçacıklar da malzemelerdeki kolektif davranışlardan ortaya çıkıyor ve doğrusal enerji-momentum ilişkisi gibi benzersiz özellikler sergiliyor, ancak şimdiye kadar kuantum mıknatıslarda gözlemlenmemişti. HKU'daki araştırmacılar, önemli deneysel zorlukların üstesinden gelmek için ileri teknikler kullanarak, kagome kafesli bir malzeme olan YCu3-Br'de bu spinonların kanıtlarını buldular.

Hong Kong Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, YCu3-Br malzemesinde Dirac spinonlarını keşfettiler ve bu, kuantum spin sıvısı durumuna dair kanıt sağladı ve kuantum hesaplama ve yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik alanlarında potansiyel olarak ilerleyen uygulamalara kanıt sağladı. Kuasipartiküller, materyaller içindeki kolektif davranıştan ortaya çıkan ve bir parçacık grubu olarak ele alınabilecek büyüleyici varlıklardır. 

Spesifik olarak, Dirac spinonlarının, yüksek enerji fiziğindeki Dirac parçacıklarına ve grafen ve kuantum hareli malzemelerdeki Dirac elektronlarına, örneğin enerji ve momentum arasındaki doğrusal bir dağılım ilişkisi gibi benzersiz özellikler sergilemesi bekleniyor. Ancak bu çalışmaya kadar kuantum mıknatıslarda spin-½ yük-nötr yarı parçacıklar gözlemlenmemişti. 

'Kuantum mıknatıslarda Dirac spinonlarını bulmak, yoğun madde fizikçilerinin kuşaklarının hayaliydi; Artık bunların kanıtlarını gördüğümüze göre, bu kadar dolanık kuantum malzemenin sayısız potansiyel uygulaması hakkında düşünmeye başlayabiliriz. Kim bilir, belki bir gün insanlar, tıpkı insanların son yarım yüzyılda silikonla yaptığı gibi, onunla kuantum bilgisayarlar inşa edebilirler'' dedi HKU fizikçisi ve makalenin ilgili yazarlarından biri olan Profesör Meng.

Ekibin araştırması, YCu3-Br olarak bilinen ve bu yakalanması zor yarı parçacıkların ortaya çıkmasına yol açan kagome kafes yapısıyla karakterize edilen benzersiz bir malzemeye odaklandı. Önceki çalışmalar, malzemenin kuantum spinli sıvı durumu sergileme potansiyeline işaret etmişti ve bu da onu keşif için ideal bir aday haline getiriyordu. YCu3-Br'deki spinonların gözlemlenmesini sağlamak amacıyla araştırma ekibi, yaklaşık 5000 tek kristali bir araya getirerek, esnek olmayan nötron saçılması gibi deneylerin yürütülmesine yönelik gereksinimleri karşılayarak birçok zorluğun üstesinden geldi.

 Ekip, elastik olmayan nötron saçılımı gibi gelişmiş teknikler kullanarak malzemenin dönüş uyarımlarını araştırdı ve karakteristik Dirac konisini anımsatan ilgi çekici konik dönüş sürekliliği modellerini gözlemledi. Tek bir spinonun doğrudan tespit edilmesi deneysel sınırlamalar nedeniyle zorlayıcı olsa da, ekip bulgularını teorik tahminlerle karşılaştırdı ve malzemede spinonların varlığını gösteren farklı spektral özellikleri ortaya çıkardı.

Dirac spinon uyarımlarının spektral kanıtlarını bulmak her zaman zor olmuştur. Bu keşif, Dirac kuantum spin sıvı durumunun varlığına dair ikna edici kanıtlar sağlıyor; bu, kuantum spin sıvı durumu üzerindeki spektral araştırma sisini yarıp geçen net bir çığlığa benzeyebilir. Bulgular yalnızca yoğun madde fiziğine ilişkin temel anlayışımızı geliştirmekle kalmıyor, aynı zamanda YCu3-Br'nin özellikleri ve uygulamalarına ilişkin daha fazla araştırma yapılmasına da kapı açıyor.

Kesirli spinon uyarımlarının varlığıyla karakterize edilen kuantum spin sıvı durumu, potansiyel olarak yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik ve kuantum bilgisiyle ilgilidir. Bu durumda, dönüşler oldukça dolanıktır ve düşük sıcaklıklarda bile düzensiz kalır. Bu nedenle, Dirac denklemine uyan spinonlardan kaynaklanan spektral sinyallerin araştırılması, maddenin kuantum spin sıvı halinin daha geniş bir şekilde anlaşılmasını sağlayacaktır. Böyle bir anlayış aynı zamanda yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik ve kuantum bilgisinin araştırılması da dahil olmak üzere daha geniş uygulamalara yönelik bir kılavuz görevi görüyor.