Трехмерные (3D) антиферромагнетики — это материалы, в которых магнитные моменты атомов или ионов расположены в трехмерной решетчатой структуре с соседними спинами, ориентированными в противоположных направлениях. Физики наблюдали в этих материалах удивительный фазовый переход, индуцированный магнитным полем, описанный при магнонной конденсации Бозе-Эйнштейна (БЭК).
Хотя в 2D-системах этот переход не может произойти, квази2D-системы все же могут демонстрировать некоторое поведение BEC наряду с преимущественно 2D-физическими процессами. В некоторых исследованиях сообщалось о таком поведении в нескольких квази-двумерных материалах, но только в очень сильных магнитных полях, к которым трудно получить доступ в лабораторных условиях.
Исследователи из Института исследований твердого тела Макса Планка, Штутгартского университета и Токийского университета недавно наблюдали захватывающее двумерное предельное поведение БЭК в квазидвумерном антиферромагнетике YbCl 3 в относительно низком магнитном поле .
В их статье, опубликованной в журнале Nature Physics , конкретно сообщается о наблюдении квантового критического бозе-газа магнонов в этом материале.
«Изначально мы искали новых кандидатов в жидкие материалы с квантовым спином Китаева», — рассказал Phys.org Йосуке Мацумото, соавтор статьи. «Материал, который мы здесь изучаем, YbCl 3 , представляет собой квантовый магнит с псевдоспином 1/2 на сотовой решетке, для которого теоретически была предложена возможная реализация квантовой спиновой жидкости Китаева. Вдохновленные этим, мы начали наше исследование».
«Вскоре после того, как они начали изучать возможность того, что YbCl 3 может быть квантовой спиновой жидкостью Китаева, две исследовательские группы в Соединенных Штатах обнаружили, что у хлорида редкоземельного элемента нет никаких шансов. Фактически, первая группа в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе нашла доказательства магнитного упорядочение , а не квантовое спиновое жидкое состояние. Вторая группа в Ок-Ридже заметила, что магнитное возбуждение, измеренное с помощью неупругого рассеяния нейтронов, может быть очень хорошо описано как обычный магнит Гейзенберга, а не магнит Китаева».
«Тем не менее, мы сосредоточились на том факте, что это магнитное упорядочение подавляется при поле насыщения примерно 6 Тл, образуя квантовую критическую точку», — сказал Мацумото. «Мы обнаружили, что эта квантовая критическая точка представляет собой редкий пример квантовой критической точки БЭК в двумерном пределе».
В рамках своего последнего исследования Мацумото и его коллеги проанализировали чистые монокристаллы YbCl 3 . Они собрали серию высокоточных измерений, оценивающих теплоемкость , намагниченность и теплопроводность этих кристаллов при очень низких температурах (т. е. вплоть до нескольких десятков милликельвинов).
«Мы обнаружили, что температурная зависимость удельной теплоемкости и намагниченности вблизи поля насыщения примерно 6 Тл идеально согласуется с теоретическими предсказаниями для квантовой критической точки БЭК в двумерном пределе», — объяснил Мацумото.
«Таким образом, охарактеризовав эту квантовую критическую точку, мы обнаружили, что магнитные поля ниже и выше этой квантовой критической точки соответствуют состоянию, в котором конечные бозоны с твердым ядром подвергаются BEC (магнитному упорядоченному состоянию), и вакуумному состоянию с соответственно нет бозонов (полностью поляризованное состояние).
Исследователи наблюдали образование квантово-критического двумерного бозе-газа в образце YbCl 3 , который, по-видимому, прошел через БЭК. Их исследование предлагает первую экспериментальную демонстрацию квантовых критических процессов с участием двумерных бозонов с твердым ядром, демонстрируя их поведение в качестве разреженного газа.
«Мы также успешно продемонстрировали, что эффективное бозон-бозонное отталкивание значительно снижается в пределе разбавления из-за логарифмической поправки, присущей двумерным системам», — сказал Мацумото.
«С теоретической точки зрения такое поведение известно уже много лет. Однако отсутствие подходящих материалов до сих пор не позволяло нам продемонстрировать такие фундаментальные свойства бозонов в 2D».
Результаты, полученные Мацумото и его сотрудниками, подтверждают, что YbCl 3 , ранее предполагаемая как квантовая спиновая жидкость Китаева, вместо этого является многообещающей платформой для реализации квантового критического БЭК в двумерном пределе. В будущем это осознание может проложить путь к новым исследованиям, посвященным этому материалу и лежащей в его основе физике.
«В истинно двумерной системе не ожидается БЭК; вместо этого ожидается переход БКТ, характеризующийся диссоциацией вихревых пар», — добавил Мацумото. «Наше исследование показало, что магнитное упорядочение чуть ниже поля насыщения можно рассматривать как БЭК, стабилизированный чрезвычайно малой межслоевой связью, но ситуация, очень близкая к переходу БКТ, все еще возможна.
«Исследование таких возможностей, в частности поиск признаков вихревых возбуждений и других новых состояний, характерных для двух измерений, станет важной целью наших будущих работ».
