Anizotropen kvantni magnetizem novih materialov z redkimi zemljami

Ozadje in utemeljitev: Kvantni magnetizem je eno od osrednjih področij v domeni kvantnih materialov, domeni, ki združuje kompleksna magnetna stanja z drugimi netrivialnimi pojavi mnogoterih teles, kot so nekonvencionalna superprevodnost in topološka kvantna snov, grafen in Weylove polkovine itd. Skupna nit je manifestacija kvantne mehanike v makroskopskem merilu, osnovna privlačnost pa izhaja iz fundamentalne zapletenosti kvantne narave. Nedavno smo odkrili povsem novo vrsto večplastnih kvantnih pojavov, kvantno spinsko tekočino (QSL) z Isingovimi lastnostmi, to je magnetno stanje, ki ostane kvantno neurejeno pri katerikoli temperaturi in kaže zelo anizotropne spinske korelacije. To stanje je bilo najdeno v antiferomagnetu s trikotno mrežo Nd3+ ionov, ki prihajajo iz družine redkih zemelj (RE), za katero je značilna velika magnetna anizotropija. Vendar pa natančna narava in izvor tega stanja ostajata nejasna. Poleg tega si je precej zanimivo predstavljati različna druga možna eksotična magnetna stanja in ekscitacije, ki bi se lahko pojavili pri zamenjavi magnetnih ionov Nd3+ z drugimi ioni RE ali z zamenjavo trikotne spinske mreže s kakšno drugo mrežo z drugačno topologijo, npr. z mrežo kagome. Cilji: Glavni cilj tega predloga je ugotoviti povezavo med močno magnetno anizotropijo in stanji QSL na najpreprostejših, a vendar v osnovi najpomembnejših frustriranih mrežah v dveh dimenzijah, to sta trikotna mreža in mreža kagome. V ta namen bomo raziskali dve novi družini antiferomagnetov na osnovi RE, saj so ti materiali v zadnjem času postali najperspektivnejši v kontekstu kandidatov za QSL stanje, v katerih so strukturni nered in motnje minimalne. Posebni cilji vključujejo i) razkritje nadaljnjih podrobnosti o Isingovem stanju QSL in končno razkritje njegovega izvora, ii) oceno vloge posameznih ionov RE pri izbiri določenih stanj QSL na trikotni mreži in iii) določitev vpliva zmanjšane koordinacije spinske mreže na osnovno stanje za primere velike magnetne anizotropije. Metode, ki bodo uporabljene: Za dosego ciljev projekta je bistvenega pomena združevanje različnih dopolnjujočih se strokovnih znanj s področja eksperimentalne in teoretične fizike ter znanosti o materialih. Naša ekipa ima optimalno razmerje med svetovno uveljavljenimi starejšimi znanstveniki na ustreznih področjih, zelo perspektivnimi mlajšimi znanstveniki in bistrimi doktorskimi študenti. Uporabljali bomo številne komplementarne eksperimentalne in numerične tehnike, ki so najbolj primerne za raziskave kvantnega magnetizma, vključno z lokalnimi tehnikami mionske spektroskopije (mSR), jedrske magnetne resonance (NMR) in elektronske spinske resonance (ESR), tehnikami nevtronskega sipanja, pa tudi numeričnimi tehnikami, vključno z ab-initio metodami in Lanczosovimi izračuni pri končni temperaturi. Te raziskave se bodo izvajali na Institutu Jožef Stefan (IJS), z izjemo bolj specifičnih eksperimentov, kot so mSR in nevtronsko sipanje, ki zahtevajo specializirane velike ustanove, ter NMR in ESR eksperimenti pri visokih poljih in zelo nizkih temperaturah, ki se bodo izvajali v specializiranih partnerskih laboratorijih. Pričakovani rezultati in vpliv na področje raziskav: Naša sistematična študija bo obravnavala nekatere najbolj pereče odprte temeljne probleme na živahnem področju kvantnih spinskih tekočin, kjer so učinki velike magnetne anizotropije skoraj popolnoma neraziskani. To je najverjetneje posledica zelo redkih eksperimentalnih poročil, ki dajejo malo spodbude za razvoj teorije v tej smeri. Ker smo dokazali, da lahko anizotropni spinski sistemi razvijejo zelo anizotropna stanja QSL, in ker vemo, da je magnetna anizotropija lahko zelo različna za različne ione RE, lahko z gotovostjo pričakujemo, da bomo na podlagi predlagane študije opazili številne nove faze in pojave. Poleg tega bi se lahko poglobljeno razumevanje visokoanizotropnih stanj QSL izkazalo za zelo koristno pri izkoriščanju velikega potenciala stanj QSL v kvantnih tehnologijah nove generacije.