Хитрые триплоны: ученые создали искусственный квантовый магнит с квазичастицами, состоящими из запутанных электронов

Автор: Университет Аалто, 23 августа 2023 г.

Художественная иллюстрация изображает магнитные возбуждения молекул кобальт-фталоцианина, при которых запутанные электроны распространяются в триплоны. Фото: Хосе Ладо/Университет Аалто.

Исследовательская группа впервые обнаружила квантовую волну запутанности, используя измерения в реальном пространстве.

Триплоны — штука хитрая. Экспериментально их чрезвычайно трудно наблюдать. И даже в этом случае исследователи обычно проводят тесты на макроскопических материалах, в которых измерения выражаются как среднее значение по всему образцу.

That’s where designer quantum materials offer a unique advantage, says Academy Research Fellow Robert Drost, the first author of a paper published on August 22 in the journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Письма о физических обзорах. Эти дизайнерские квантовые материалы позволяют исследователям создавать явления, не встречающиеся в природных соединениях, что в конечном итоге позволяет реализовать экзотические квантовые возбуждения.

«Эти материалы очень сложны. Они дают вам очень интересную физику, но самые экзотические из них также сложно найти и изучить. Итак, мы пробуем здесь другой подход, создавая искусственный материал из отдельных компонентов», — говорит профессор Питер Лильерот, руководитель исследовательской группы физики атомного масштаба в Университете Аалто.

Квантовые материалы управляются взаимодействиями между электронами на микроскопическом уровне. Эти электронные корреляции приводят к необычным явлениям, таким как высокотемпературная сверхпроводимость или сложные магнитные состояния, а квантовые корреляции порождают новые электронные состояния.

В случае двух электронов существуют два запутанных состояния, известные как синглетное и триплетное состояния. Подводя энергию к электронной системе, можно перевести ее из синглетного в триплетное состояние. В некоторых случаях это возбуждение может распространяться через материал в виде волны запутывания, известной как триплон. Этих возбуждений нет в обычных магнитных материалах, и их измерение остается открытой проблемой для квантовых материалов.

В новом исследовании команда использовала небольшие органические молекулы для создания искусственного квантового материала с необычными магнитными свойствами. Каждая из использованных в эксперименте молекул фталоцианина кобальта содержит два граничных электрона.

«Используя очень простые молекулярные строительные блоки, мы можем сконструировать и исследовать этот сложный квантовый магнит так, как никогда раньше, обнаруживая явления, не обнаруженные в его независимых частях», — говорит Дрост. «Хотя магнитные возбуждения в изолированных атомах уже давно наблюдаются с помощью сканирующей туннельной спектроскопии, этого никогда не удавалось достичь с помощью распространяющихся триплонов».

«Мы используем эти молекулы для объединения электронов, упаковываем их в ограниченное пространство и заставляем взаимодействовать», — продолжает Дрост. «Глядя на такую ​​молекулу снаружи, мы увидим совместную физику обоих электронов. Поскольку наш фундаментальный строительный блок теперь содержит два электрона, а не один, мы наблюдаем совершенно иную физику».

Команда отслеживала магнитные возбуждения сначала в отдельных молекулах фталоцианина кобальта, а затем в более крупных структурах, таких как молекулярные цепочки и острова. Начав с самого простого и постепенно увеличивая сложность, исследователи надеются понять возникающее поведение квантовых материалов. В настоящем исследовании команда смогла продемонстрировать, что синглет-триплетные возбуждения их строительных блоков могут пересекать молекулярные сети в виде экзотических магнитных квазичастиц, известных как триплоны.