Forschung: Korreliertes Quantentunneln magnetischer Monopole in Spin-Eis

Seltenerd-Magnete mit Pyrochlore-Gitterstruktur können "Spin-Eis" realisieren - dies ist ein Tieftemperatur-Regime, in dem sich die Ausrichtung der magnetischen Momente ähnlich zur Position der Protonen in H₂O-Eis verhält. In diesem Regime existiert als Folge geometrischer Frustration keine konventionelle magnetische Ordnung; stattdessen ist der magnetische Zustand hochgradig entartet und nur durch die "Eis-Regeln" bestimmt: In jedem Tetraeder müssen zwei Spins nach innen und zwei nach außen zeigen (2in-2out). Tetraeder, die diese Regel verletzen, bilden lokale Defekte im Spin-Eis-Zustand und können als magnetische Monopole verstanden werden.

Während im klassischen Grenzfall diese Monopole im Tieftemperaturlimes lokalisiert sind, können sie sich durch quantenmechanische Tunnelprozesse bewegen. Wir haben diese Tunnelprozesse im Detail modelliert und einen fundamentalen Zusammenhang zwischen Spindynamik, Monopol-Anregungen und lokalen Spinkonfigurationen gefunden. Es ergeben sich eine bimodale Verteilung von Monopol-Hüpfraten, charakterisiert durch zwei verschiedene Zeitskalen,  t^fast and t^slow . Unsere Theorie gilt sowohl für "klassische" Spin-Eis-Verbindungen wie Ho₂Ti₂O₇ und Dy₂Ti₂O₇ als auch für "Quanten"-Spin-Eis-Verbindungen wie Pr₂Sn₂O₇ und Pr₂Zr₂O₇ und macht konkrete Vorhersagen für Neutronenstreu-Experimente.

B. Tomasello, C. Castelnovo, R. Moessner, J. Quintanilla,
Correlated quantum tunneling of monopoles in spin ice,
Phys. Rev. Lett. 123, 067204 (2019) (arXiv)