Используя новый вычислительный метод, международное сотрудничество впервые преуспело в систематическом исследовании магнитных квантовых эффектов в хорошо известной трехмерной пирохлорной модели Гейзенберга. Удивительная находка: физические квантовые фазы образуются только при малых значениях спина.
Атомы и молекулы в кристаллических твердых телах расположены в правильных трехмерных решетках. Атомы взаимодействуют друг с другом с помощью различных сил, в конечном итоге достигнув состояния минимальной энергии. Вблизи абсолютного нуля колебания решетки замерзают, так что взаимодействия между электронными спинами доминируют. Особенно интересный случай возникает, когда спины не могут все выровняться одновременно, чтобы достичь состояния с наименьшей энергией. Это приводит к расстроенной системе, в которой спины почти полностью разупорядочены и поэтому называются спиновой жидкостью.
Кубическая кристаллическая структура
Одной из ведущих моделей для исследования трехмерных фрустрированных квантовых магнитов является модель Гейзенберга на решетке пирохлора — простая кубическая кристаллическая структура (см. Иллюстрацию). Тем не менее, до сих пор было чрезвычайно трудно получить практические прогнозы, то есть для конкретных материалов и температур, из этой теоретической модели.
Команды из Германии, Японии, Канады и Индии в настоящее время совместно проводят систематические исследования этой модели с помощью нового теоретического метода и решают некоторые из этих трудностей. С помощью этого нового метода возможно варьировать значение спина атомов решетки, а также температуру и другие параметры взаимодействия, и рассчитывать диапазоны параметров, в которых возникают новые магнитные квантовые эффекты. Расчеты проводились в суперкомпьютерном центре Лейбница (LRZ) в Мюнхене.
Квантовые эффекты только для маленьких спинов
«Мы смогли показать, что квантовые физические эффекты неожиданно возникают только в очень ограниченных диапазонах параметров», — объясняет физик-теоретик профессор Йоханнес Ройтер из HZB, соавтор исследования. Эти квантовые эффекты наиболее выражены при наименьшем возможном вращении (значение вращения ½). Однако спиновые системы в кристаллической структуре, исследованной командами, уже ведут себя почти полностью как классические физические системы при значениях спина 1,5 и выше.
Опубликованная работа углубляет наше понимание твердого тела и способствует систематическому продвижению в поиске трехмерных спиновых жидкостей в квантовых материалах.
Теги: квант, кристалл, магнит
