Un nuevo estudio, publicado en un número reciente de Nature Physics , arroja luz sobre la tan esperada aparición de cuasipartículas, similares a las famosas partículas de Dirac que obedecen a la ecuación relativista de Dirac. Se teorizó que estas cuasipartículas, conocidas como espinones de Dirac, existen dentro de un nuevo estado cuántico llamado estado líquido de espín cuántico.
El descubrimiento es el resultado de una colaboración entre los físicos teóricos Dr. Chengkang Zhou y el profesor Zi Yang Meng del Departamento de Física de la Universidad de Hong Kong (HKU), junto con los experimentalistas Zhenyuan Zeng y el profesor Shiliang Li del Instituto de Física ( IOP), la Academia China de Ciencias (CAS) y el profesor Kenji Nakajima del Centro J-PARC, Japón.
Las cuasipartículas son entidades intrigantes que surgen del comportamiento colectivo dentro de materiales que pueden tratarse como un grupo de partículas. Se espera que los espinones de Dirac, específicamente, exhiban características únicas similares a las partículas de Dirac en la física de alta energía y a los electrones de Dirac en el grafeno y los materiales de muaré cuántico, como una relación de dispersión lineal entre energía y momento. Pero tales cuasipartículas neutras con carga de espín y ½ no se habían visto en imanes cuánticos antes de este trabajo.
'"Encontrar espinones de Dirac en imanes cuánticos ha sido el sueño de generaciones de físicos de la materia condensada; ahora que hemos visto la evidencia de ellos, podemos empezar a pensar en las innumerables aplicaciones potenciales de un material cuántico tan altamente entrelazado.
"Quién sabe, tal vez algún día la gente construya computadoras cuánticas con él, tal como lo han estado haciendo en el último medio siglo con el silicio", dijo el profesor Meng, físico de HKU y uno de los autores correspondientes del artículo. P>
La investigación del equipo se centró en un material único conocido como YCu3 -Br, caracterizado por una estructura reticular kagome que conduce a la aparición de estas esquivas cuasipartículas.
Estudios anteriores habían insinuado el potencial del material para exhibir un estado líquido de espín cuántico, lo que lo convierte en un candidato ideal para la exploración. Para permitir la observación de espinones en YCu3 , el equipo de investigación superó numerosos desafíos al ensamblar aproximadamente 5000 monocristales, cumpliendo con los requisitos para realizar experimentos como la dispersión inelástica de neutrones.
Utilizando esta técnica avanzada, el equipo sondeó las excitaciones de espín del material y observó intrigantes patrones cónicos continuos de espín, que recuerdan al característico cono de Dirac. Si bien la detección directa de un solo espino resultó desafiante debido a limitaciones experimentales, el equipo comparó sus hallazgos con predicciones teóricas, revelando distintas características espectrales indicativas de la presencia de espinos en el material.
Encontrar evidencia espectral de las excitaciones del espinón de Dirac siempre ha sido un desafío. Este descubrimiento proporciona evidencia convincente de la existencia de un estado líquido de espín cuántico de Dirac, que puede ser similar a un claro grito que atraviesa la niebla de la investigación espectral sobre el estado líquido de espín cuántico.
Los hallazgos no solo avanzan en nuestra comprensión fundamental de la física de la materia condensada, sino que también abren puertas para una mayor exploración de las propiedades y aplicaciones del YCu3. .
Caracterizado por la presencia de excitaciones fraccionarias de espín, el estado líquido de espín cuántico es potencialmente relevante para la superconductividad de alta temperatura y la información cuántica. En este estado, los espines están muy enredados y permanecen desordenados incluso a bajas temperaturas.
Por lo tanto, investigar las señales espectrales que surgen de los espinones que obedecen a la ecuación de Dirac proporcionaría una comprensión más amplia del estado líquido del espín cuántico de la materia. Esta comprensión también sirve como guía hacia sus aplicaciones más amplias, incluida la exploración de la superconductividad de alta temperatura y la información cuántica.
Más información: Zhenyuan Zeng et al, Evidencia espectral de espinones de Dirac en un antiferroimán de red de Kagome, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Hong Kong
