Des expériences récentes de diffusion de neutrons inélastiques polarisés ont identifié le mode d'amplitude (c'est-à-dire de Higgs) dans C 9 H 18 N 2 CuBr 4 , un 2-D, composé d'échelle de spin quasi-quantique qui présente une faible anisotropie d'échange d'axe facile. Inspiré par ces découvertes, chercheurs de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, L'Institut de technologie de Harbin et l'Université d'Erlangen-Nürnberg ont mené une étude examinant le facteur de structure de spin dynamique des systèmes à échelle de spin couplés planaires à l'aide de simulations de Monte Carlo quantique (QMC) à grande échelle.

« L'observation et la compréhension du mode d'amplitude de Higgs dans les aimants quantiques sont passionnantes, puisqu'il relie les recherches en physique des hautes énergies (prix Nobel 2013 pour l'observation de la particule de Higgs) à des concepts similaires en physique de la matière condensée, " Kai Phillip Schmidt et Stefan Wessel, deux des chercheurs qui ont mené l'étude, Raconté Phys.org par email. "Toutefois, ce mode est assez fragile dans de nombreux aimants planaires, donc sa détection expérimentale potentielle dans un aimant quantique plan d'échelles de spin couplées par diffusion inélastique de neutrons a été une surprise."

Aux fins de l'étude, Schmidt a développé une théorie approximative, ce qui restait à confirmer de manière rigide par la modélisation quantitative. Pour y parvenir, Wessel, que Schmidt connaissait bien, et Tao Ying, un post-doctorant sous la direction de Wessel, décidé d'essayer d'appliquer des simulations de Monte Carlo à ce problème.

Essentiellement, ils ont entrepris d'examiner le facteur de structure de spin dynamique de systèmes à échelle de spin couplés planaires précédemment identifiés à l'aide de simulations QMC. Leur étude combinée, Publié dans Lettres d'examen physique ( PRL ), leur a permis d'acquérir une compréhension quantitative du mode d'amplitude de Higgs décrit dans des recherches antérieures.

"Le facteur de structure dynamique est important, puisqu'il contient toute l'information sur les excitations magnétiques (comme le mode d'amplitude de Higgs) et c'est la grandeur essentielle qui est mesurée par diffusion inélastique de neutrons, " Les simulations de Monte Carlo quantique (QMC) sont un outil numérique très puissant pour étudier certaines classes d'aimants quantiques et pour extraire le facteur de structure dynamique, ont déclaré Schmidt et Wessel. ce qui est généralement très difficile à obtenir par d'autres moyens."

En utilisant des techniques de simulation QMC de pointe, Schmidt, Wessel et Ying ont pu comparer les valeurs numériques de certaines énergies d'excitation à celles mesurées dans la diffusion inélastique des neurones. Cela leur a ensuite permis de localiser les interactions magnétiques présentes dans un aimant quantique particulier.

"La modélisation quantitative de l'aimant quantique expérimental spécifique et la possibilité d'interpréter la nature des excitations magnétiques observées en théorie permet l'identification rigoureuse du mode d'amplitude de Higgs dans un système bidimensionnel d'échelles de spin couplées, " Schmidt et Wessel ont dit. " De plus, nous avons pu tracer les propriétés du mode d'amplitude de Higgs sur un grand espace de paramètres dans notre modèle. Cela nous a permis de suivre cette particule jusqu'à la limite dite d'Ising, qui est l'un des modèles les plus paradigmatiques de la physique."

Dans leur étude, Schmidt, Wessel et Ying ont pu comprendre explicitement le mode d'amplitude de Higgs observé dans les expériences précédentes comme un état lié de deux excitations magnétiques conventionnelles, qui est en analogie avec une molécule constituée d'atomes. Leurs travaux démontrent la faisabilité de formuler une théorie quantitative pour comprendre la dynamique de spin des aimants 2-D quasi-quantiques critiques, en utilisant des techniques de simulation QMC de pointe. Alors qu'ils ont spécifiquement appliqué leur théorie au composé C 9 H 18 N 2 CuBr 4 , ils pensent qu'il pourrait également être utilisé pour comprendre la dynamique de spin quantique d'autres composés magnétiques similaires.

"Il y a plusieurs voies intéressantes à suivre à l'avenir, " Schmidt et Wessel ont dit. " En particulier, il sera important de comprendre le devenir du mode d'amplitude de Higgs lorsqu'il sera accordé plus près des points critiques quantiques, par exemple. lors de l'application d'un champ magnétique ou d'une pression externe, comment se comporte cette excitation et devient-elle instable ?"

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