¿Qué es un líquido de giro cuántico?

Los líquidos Quantum Spin son como el Congreso.

Todos están sentados en su escritorio de una manera agradable y ordenada, pero sus decisiones son desorganizadas y fluidas. Nadie llega a un consenso, y hay un millón de formas diferentes para que se griten entre sí y no hagan nada.

Spin Liquids son sólidos (todos sentados en un escritorio), solo sólidos que nunca se ordenan magnéticamente (permanecen líquidos incluso cuando son cuánticos).

Los líquidos de centrifugado son interesantes porque:

  • Las excitaciones se ven como una partícula cortada en trozos (fraccionada)
  • Tienen grandes cantidades de enredos
  • Las excitaciones son estables a algo que lo perturba (topológico)
  • No tienen una cosa única que hacer (estado fundamental) a temperaturas extremadamente bajas, como cualquier otro material que conozcamos

Entonces, ¿qué son exactamente?

Especialmente aquí en Internet, todos conocemos a aquellas personas que adoran estar en desacuerdo solo por estar en desacuerdo. No tienen opiniones en sí mismas, solo quieren discutir con todos los demás. Si dijera “el cielo es azul”, encontrarían una manera de discutir conmigo.

Ahora reúna a tres de esas personas en una habitación e intente que decidan si pedir pizza de queso o de peperoni. Cada persona tendría que estar de acuerdo con alguien. No solo eso, no tienen forma de tomar una decisión. Esta situación sería muy frustrante.

Herbertsmithite tiene retículas 2D Kagome que están fuertemente desacopladas entre sí magnéticamente. Una red Kagome se parece a

(yo a través de Inkscape) y lleva el nombre de un tipo de cestería japonesa.

Ahora pasamos de personas a materiales magnéticos, específicamente materiales magnéticos frustrados, y nos encontramos en la misma situación. En lugar de que las personas decidan sobre la pizza, los giros deciden una dirección. En cada triángulo de Kagome, 6 formas diferentes de organizar los giros para que todo esté totalmente en desacuerdo. Escale eso a una red completa, y tiene muchas formas diferentes.

Ahora enfriamos el material a temperaturas mecánicas cuánticas, y los giros comienzan a existir en más de una disposición al mismo tiempo. En cada uno de los arreglos, los giros tienen que cambiar juntos para mantener la condición de desacuerdo. Si conoces algunos giros, puedes descubrir los otros. Esta es una versión de enredos.

Todo el mundo debería conocer la idea básica de un líquido de espín cuántico, y esto no es realmente demasiado difícil de entender si conoce un poco de física del estado sólido. Pero al menos necesitas este fondo, y los detalles reales son muy complicados. No voy a entrar en nada de eso.

Entonces: un líquido de espín cuántico es un sistema de espines de electrones, en un material cristalino ordenado, en el que los electrones están fuertemente localizados en los sitios reticulares del cristal, y las orientaciones de espín de electrones también están muy desordenadas a baja temperatura.

Por lo tanto, el material no es magnético, pero aún tiene una especie de interacción magnética fuerte entre los espines que, paradójicamente, es exactamente lo que conduce al trastorno.

La gente lo llama un líquido de espín , debido al trastorno subyacente de baja temperatura en la orientación de los espines de electrones. La palabra cuántica se agrega porque uno de los principales modelos teóricos de un sistema de este tipo tiene todos los espines de electrones vecinos más cercanos cuánticamente emparejados mecánicamente en espín 0, en el estado fundamental.

Las correlaciones cuánticas de los giros son críticas para la descripción del sistema y también pueden extenderse a distancias más grandes que los vecinos más cercanos.

Por lo tanto, un líquido de espín cuántico es, en cierto modo, el “opuesto” de un material ferromagnético o anti-ferromagnético en el que el estado de baja temperatura de la orientación de los espines tiene un alto grado de orden de largo alcance, todos los espines son paralelos en un ferromagnet y todos los giros son alternativamente antiparalelos en un antiferromagnet.

Los ferromagnetos y los antiferromagnetos pueden considerarse en cierto sentido como sólidos de rotación. Sus estados fundamentales no tienen una orientación de espines de electrones que rompa la simetría básica de la red cristalina, mientras que el líquido de espín ciertamente lo hace.

Una forma en que puede surgir un líquido de rotación es que tiene un material en el que la estructura cristalina es tal que las interacciones entre las vueltas de electrones adyacentes en diferentes sitios de la red son anti-ferromagnéticas, lo que significa que todas las vueltas prefieren alinearse antiparalelas .

Pero la estructura reticular también es tal que la interacción antiferromagnética no permite que todos los giros alternos sean antiparalelos.

Es fácil ver que puede lograr esto en una red reticular hexagonal bidimensional, ya que cualquier giro en dicha red está contenido en un triángulo de tres giros que son directamente adyacentes, y si los otros dos giros apuntan hacia abajo en relación con la dirección hacia arriba del primer giro, es decir, ambos giros están orientados antiparalelos al primero, luego los otros dos giros deben estar orientados paralelos entre sí.

También habría muchos arreglos posibles de los giros en cada triángulo en la red hexagonal, todos con la misma energía.

Entonces, a baja temperatura, el estado de mayor entropía sería uno en el que los electrones tuvieran un alto grado de desorden en sus orientaciones de giro.

Resulta que tales materiales tienen propiedades muy interesantes cuando se consideran las excitaciones del sistema por encima del estado de energía más bajo, a diferencia de un ferromagnet o un antiferromagnet, donde las excitaciones más bajas se llaman ondas de giro y son bosones sin carga, las excitaciones en un Spin Liquid, llamado Spinons, puede tener spin fraccionado . Los espines también pueden moverse fácilmente dentro del líquido de espín mediante un proceso de reorganización del estado cuántico de los espines de electrones, que cuesta muy poca energía ya que el estado fundamental es, como lo implicaba, muy degenerado, muy parecido a un ferromagnet.

Y esta fraccionamiento se ha observado de hecho en al menos un material recientemente.

Es de gran interés que tales materiales aparentemente existan, ya que pueden ser buenos materiales para considerar en la construcción de memorias de computadora avanzadas y / o computadoras cuánticas, con los espines desempeñando el papel de qubits.

Pero estas posibles aplicaciones aún están en el futuro.

Para muchas preguntas técnicas como esta, el paso 1 es “Ver el artículo de Wikipedia”. En este caso, ver Líquido de giro cuántico.

Este es un “líquido” en el sentido de que los espines de los átomos están desordenados. Pero el material en sí es sólido. “Frustración magnética” es un término que verá, lo que significa que los giros no pueden organizarse espontáneamente en ferromagnéticos o antiferromagnéticos, incluso cuando el sólido se enfría a temperaturas muy bajas. Entonces, este tipo de material resulta de una combinación de las fuerzas entre los giros y la estructura del material.

La Herbertsmithita es un mineral cuyos átomos forman una estructura reticular compleja llamada Kagome, la estructura que más aparece en la tabla en la sección de Ejemplos del artículo de Wikipedia. Aquí hay un artículo de finales de 2012 sobre las mediciones que verifican la propiedad. Para el recién descubierto “líquido de espín cuántico”, la belleza está en su simplicidad.

Podría buscarlo, pero no puedo explicarlo, ¡y acabo de hacer un experimento buscando uno!

Oh diablos, déjame intentarlo:

Suponga que tiene una red cristalina con acoplamientos antiferromagnéticos entre los giros de iones pero con todos los iones spin-1/2 dispuestos en triángulos equiláteros; en cualquier triángulo dado, dos de los giros pueden ser felizmente opuestos, pero ¿dónde deja eso el tercer giro?

Una de las “soluciones” a este problema tiene todos los giros libres para seguir reorientándose, de la misma manera que lo hacen las moléculas en un líquido.

Es lo mejor que puedo hacer para explicar un “líquido de giro cuántico”.

Es un estado fundamental cuántico predicho teóricamente de un anti-ferromagnet cuántico frustrado de 2 dimensiones. Por ejemplo, un enrejado cuadrado Heisenberg anti-ferromagnet cuántico con interacciones vecinas más cercanas junto con las interacciones vecinas más próximas que causan frustración. En un estado líquido de espín cuántico, tanto la simetría de traslación como de rotación son ininterrumpidas.

El estado de enlace de valencia resonante en un anti-ferromagnet cuántico fue propuesto por primera vez como candidato para el líquido de espín cuántico por Anderson en 1973.

En 2006, se descubrió que un material llamado Herbertsmithite tenía líquido de centrifugado a unos pocos milicelvin. Este puede ser un ejemplo de líquido de espín cuántico con el anti-ferromagnet cuántico de Heisenberg definido en una red Kagome. El enrejado de Kagome conduce a un anti-ferromagnet cuántico frustrado debido a la frustración geométrica.

Otro ejemplo bien conocido es probablemente el estado no dopado de los superconductores de alta temperatura basados ​​en cuprato descubiertos por primera vez en 1986. Curiosamente, es el dopaje de este líquido de centrifugado cuántico por agujeros, que se predice que conducirá a un orden de superconducción de alta temperatura en estos componentes.

Por supuesto, uno debe tener en cuenta que el estado fundamental cuántico de un material dado es en realidad un líquido de rotación cuántica solo a cero grados Kelvin. La tercera ley de la termodinámica nos impide llegar a ese punto.

Gracias por plantear una pregunta sobre la que no tenía ni idea: leí sobre Quantum spin liquid y me pareció interesante.

Mientras que a un niño me enseñaron que había tres estados de materia (sólido, líquido, gaseoso) aprendí con el tiempo que había un cuarto (plasma) y un quinto (condensado de Bose-Einstein).

El estado o fase de la materia sobre la que pregunta es un líquido y también hay una breve discusión bajo la categoría de líquidos en Materia: Definición y los cinco estados de la materia.

En física de la materia condensada, el líquido de espín cuántico es un estado que se puede lograr en un sistema de espines cuánticos interactivos. El estado se conoce como ” líquido “, ya que es un estado desordenado en comparación con un estado de giro ferromagnético, de la misma manera que el agua líquida está en un estado desordenado en comparación con el hielo cristalino.