The pyrochlore spin ice compounds Dy2Ti2O7 and Ho2Ti2O7 are well described by classical Ising models down to very low temperatures. Given the empirical success of this description, the question of the importance of quantum effects in these materials has been mostly ignored. We show that the common wisdom that the strictly Ising moments of Dy3+ and Ho3+ imply strictly Ising interactions is too naive; a more complex argument is needed to explain the close agreement between theory and experiment. From a microscopic picture of the interactions in rare-earth oxides, we show that the high-rank multipolar interactions needed to induce quantum effects are generated only very weakly by super-exchange. Using this framework, we formulate an estimate of the scale of quantum effects in Ho2Ti2O7 and Dy2Ti2O7, finding it to be well below experimentally relevant temperatures. We discuss the implications of these results for realizing quantum spin ice in other materials.
Distinguishing dipolar and octupolar quantum spin ices using contrasting magnetostriction signatures
最近，对Ce $_2$ Zr $_2$ O $_7$和Ce $_2$ Sn $_2$ O $_7$进行了大量实验，表明这些材料具有出射光子和分数自旋子激发的三维量子自旋液体。然而，对这些数据的解释，以确定量子自旋液体的精确性质，仍在争论中。Ce $^{3+}$局域矩中的Kramers二重态提供了不寻常的赝自旋自由度，因为$x$和$z$分量变换为偶极，而$y$分量变换为八极。这导致在Ce $^{3+}$矩的烧绿石晶格上的各种可能的量子自旋液体（或量子自旋冰）相。在这项工作中，我们从理论上提出，磁致伸缩将能够区分偶极（D-QSI）和八极（O-QSI）量子自旋冰，其中偶极或八极组件具有各自的自旋冰相关。我们表明，在各种配置的磁致伸缩可以被用来作为一个选择规则，区分不仅D-QSI和O-QSI，但也有一些竞争的对称性破缺状态。
Phonon-mediated spin-flipping mechanism in the spin ices Dy$_2$Ti$_2$O$_7$ and Ho$_2$Ti$_2$O$_7$
为了理解自旋冰Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$和Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$中出现的磁翻转动力学，有必要研究这些材料中自旋翻转的机制。目前认为有两个过程：低温和中温下的量子隧穿和高温下的热激活。我们确定了晶体场和光学声子激发之间可能的耦合，并构建了一个严格约束的声子介导的自旋翻转模型，定量描述了这两种化合物中的高温过程，通过准弹性中子散射测量。我们支持该模型与Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$中晶体场态和光学声子之间耦合的直接实验证据。
Investigation of the monopole magneto-chemical potential in spin ices using capacitive torque magnetometry
自旋冰系统中的单离子各向异性和磁相互作用导致了不寻常的非共线自旋织构，如Pauling态和磁单极子。有效自旋相关强度（$J_{eff}$）决定了不同自旋冰态的相对能量。有了这项工作，我们显示的能力，电容转矩磁强计在表征磁化学势与磁形成。我们建立了Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$的磁相图，并表明磁化学势依赖于自旋亚晶格（$α$或$β$），即，鲍林州参与了过渡。蒙特卡罗模拟使用偶极自旋冰哈密顿量支持我们的研究结果的亚晶格依赖的磁化学势，但该模型低估了$β$ -亚晶格的$J_{eff}$。包括次近邻相互作用（$J_2$）在内的其他模拟表明，需要在哈密顿量中使用长程交换项来描述测量结果。这表明扭矩磁力测定法为$J_{eff}$和对其有贡献的自旋-自旋相互作用提供了灵敏的测试。
Ultrasonic investigations of spin-ices Dy$_2$Ti$_2$O$_7$ and Ho$_2$Ti$_2$O$_7$ in and out of equilibrium
我们报告自旋冰材料Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$（DTO）和Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$（HTO）中的自旋晶格和单离子效应的超声研究，涵盖相变，与低能磁激发的相互作用，以及单离子效应。特别是，在DTO的磁单极子的气-液过渡的声音衰减中观察到的急剧下降解释的基础上，涉及负弛豫过程的方法。此外，准周期性峰值的声学性质的DTO由于非平衡过程被发现受到强烈的影响{ \em宏观}的热耦合条件：在DTO的热失控在以前的研究中观察到的可以被完全抑制浸没在液氦中的样品。晶体电场效应具有更高的能量标度导致重整化的声速和声衰减在非常高的磁场。我们分析我们的观察使用的方法的基础上分析的交换-伸缩耦合和单离子效应。
Magnetic charge injection in spin ice: a new way to fragmentation
凝聚态物质中的复杂性为新物质状态的发现提供了养分，而挫折感等因素则丰富了新物质状态。磁性系统的例子有Kitaev自旋液体、Skyrmions相或自旋冰。这些非传统的基态支持奇异的激发，例如自旋冰中的磁荷，也称为单极子。除了发现它们之外，一个重要的挑战是能够控制和操纵它们。在这里，我们提出了一种新的机制，通过交错磁场注入单极子的自旋冰。我们从理论上表明，并在实验中证明，在Ho $_2$ Ir $_2$ O $_7$烧绿石铱酸盐，它的结果在一个稳定的晶体，表现出磁性碎片。在这种新的物质状态下，磁矩分裂成一个有序的部分和一个持续波动的部分。与传统的自旋冰相比，在这种分裂状态下的不同性质的激发开辟了新的可调场诱导和动力学行为的道路。
Exploring possible magnetic monopoles-induced magneto-electricity in spin ices
University of Geneva（日内瓦大学）；Institut Néel, CNRS and Université Grenoble Alpes（内勒研究所，法国国家科学研究中心与格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；ICMMO, Université Paris-Saclay, CNRS（物质化学与分子和超分子研究所，巴黎萨克雷大学，法国国家科学研究中心）
Classical symmetry enriched topological orders and distinct monopole charges for dipole-octupole spin ices
International Center for Quantum Materials, Peking University（北京大学量子材料中心）；Tsung-Dao Lee Institute, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学李政道研究所）；Collaborative Innovation Center of Quantum Matter（量子物质协同创新中心）；The University of Hong Kong, Shenzhen Institute of Research and Innovation（香港大学深圳研究院）；Beijing Key Laboratory of Quantum Devices, Peking University（北京大学量子器件北京市重点实验室）
Demagnetization effect on magnetic noise measurements in spin ice materials
Institut Néel, CNRS, Université Grenoble Alpes（内尔研究所，法国国家科学研究中心，格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；Department of Physics, University of Warwick（华威大学物理系）；Clarendon Laboratory, Physics Department, Oxford University（牛津大学克拉伦登实验室）；Kyushu Institute of Technology（九州工业大学）；School of Physics and Astronomy, Cardiff University（卡迪夫大学物理与天文学学院）
Non-equilibrium Muon Dynamics Imitating Fractional Spin Excitations in a Quantum Spin Chain
Jožef Stefan Institute（约瑟夫·斯蒂芬研究所）；Faculty of Mathematics and Physics, University of Ljubljana（卢布尔雅那大学数学与物理学院）；ISIS facility, Rutherford Appleton Laboratory（鲁瑟福阿普顿实验室ISIS设施）；Institute of Solid State Physics, Vienna University of Technology（维也纳工业大学固体物理研究所）
Ordered spin-ice state in the geometrically frustrated metallic-ferromagnet Sm2Mo2O7
最近发现的自旋冰是一个壮观的例子，非共面自旋安排，可以出现在烧绿石A2 B2 O 7结构。我们对金属铁磁烧绿石Sm 2 Mo 2 O 7进行了磁性和热力学研究。我们的研究，进行了定向晶体，表明Sm自旋有一个有序的自旋冰基态低于约T* = 15 K。有序自旋冰态的温度和场演化受Sm和Mo自旋之间的反铁磁耦合的支配。我们建议，作为一个强大的功能，这种耦合的结果，四面体与外部场对齐，采用“1-在，3-出”自旋结构，而不是“3-在，1-出”在偶极自旋冰，因为字段超过一个临界值。
Ground state selection under pressure in the quantum pyrochlore magnet Yb2Ti2O7
量子自旋液体是一种新的物质状态，其特征是量子纠缠和不存在任何对称性破缺。在凝聚态中，受抑的稀土烧绿石磁体Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$和Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$，即所谓的自旋冰，表现出经典的自旋液体状态，具有分馏的热激发（磁单极）。量子自旋冰的证据，其中磁单极子成为长距离纠缠和涌现的量子电动力学出现，似乎触手可及。量子自旋冰候选物Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$的磁性一直没有得到全面的理解，甚至在低温下是否存在静态磁序也存在争议。在这里，我们表明，对压力的敏感性是Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$低温行为的关键。通过结合压力下的化学计量比样品的中子衍射和μ子自旋弛豫，我们证明了从无序的，非磁性的，基态到张开的铁磁基态的磁性转变。
Spin ice behavior in Dy2Sn2-xSbxO7+x/2 and Dy2NbScO7
我们报告的磁性和热性能的Dy 2Sn 2-xSbxO 7 +x/2，x = 0，0.25，和0.5，和Dy 2NbScO 7。我们在Dy_2Sn_2-xSb_xO_（7 +x/2）材料中发现了类伊辛单离子基态的证据。这些材料具有几乎相同的零点熵的正则自旋冰Ho 2 Ti 2 O 7和Dy 2 Ti 2 O 7，强烈表明，它们在低温下的自旋冰状态。我们还观察到在Dy_2NbScO_7中零点熵有所降低，这可能与更高水平的阳离子无序有关。在这些材料中，在烧绿石晶格的B位上具有阳离子无序的类冰状态为在无序存在下自旋冰行为的鲁棒性提供了新的证据。
A Measure of Monopole Inertia in the Quantum Spin Ice Yb$_2$Ti$_2$O$_7$
现代固体物理学的一个重要和持续的主题是在材料（例如准粒子）中实现奇异激发，这些材料在自由空间的实际物理真空中没有类似物（或尚未被观察到）。尽管它们不是基本粒子，但此类准粒子确实构成了它们所处的“真空”的激发态的最基本描述。在这方面的激发态的自旋冰，占主导地位的伊辛相互作用的磁性烧绿石氧化物的磁性纹理，提出了建模为有效的磁荷单极。最近的非弹性中子散射实验已经确定烧绿石材料Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$（YbTO）作为量子自旋冰，其中除了伊辛相互作用之外，还有大量的横向项可以诱导量子动力学和-原则上-相干的自旋运动。在这里，我们报告了相结合的时域太赫兹光谱（THEMS）和微波腔的研究YbTO探测其复杂的动态磁化率。我们发现磁化率的形式与自旋运动相一致，并且可以定义和测量磁自旋电导率。使用这些技术的独特的相敏能力，我们观察到的磁响应的反应部分的符号变化。在惯性运动的一般模型中，这只能通过引入惯性效应（例如，质量相关项）到运动方程中来实现。类似于传统的电荷系统，测量电导率的光谱权重使我们能够推导出磁致伸缩质量的值，我们发现该值约为1800电子质量。我们的结果建立了磁单极子的量子自旋冰作为真正的相干传播准粒子的这个系统。
Sleuthing out exotic quantum spin liquidity in the pyrochlore magnet Ce$_2$Zr$_2$O$_7$
对量子自旋液体（QSL）--具有分数激发的拓扑磁体--的研究一直是凝聚态和材料物理学的中心主题。虽然理论不再短缺，但追踪材料却变得非常棘手，这在很大程度上是因为很难用实验来诊断一个只有拓扑而不是传统有序形式的状态。烧绿石系统已被证明是特别有前途的，托管在自旋冰Dy/Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$中的经典库仑相，与其他烧绿石的候选QSL的后续建议。将实验与展示出稳健QSL的详细理论相结合仍然是一个核心挑战。在这里，我们专注于强自旋-轨道耦合的有效$S=1/2$烧绿石Ce $_2$ Zr $_2$ O $_7$，分析最近的热力学和中子散射实验，确定一个微观有效的哈密顿量相结合的有限温度Lanczos，Monte Carlo和分析自旋动力学计算。它的参数值表明了一个以前未观测到的奇异相，一个$π$通量U（1）QSL。有趣的是，矩的八极性质使它们不太容易受到晶体缺陷或磁性杂质的影响，同时也隐藏了中子的一些其他特征，使得这种QSL可以说比更传统的对应物更稳定。
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics（鲁道夫·派尔斯理论物理中心）；Hertford College（赫特福德学院）
Refrustration and competing orders in the prototypical Dy2Ti2O7 spin ice material
自旋冰是类似于普通水冰的受抑磁性材料，是三维空间中高阻挫的典范。最近对范例Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$自旋冰材料的低温性质的实验研究，特别是预测的向长程序的转变是否发生，根据该系统的当前接受的微观模型提出了问题。在这项工作中，我们结合蒙特卡罗模拟和平均场论计算来分析数据的磁化，弹性中子散射和比热测量的Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$。我们还重新考虑了Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$中核比热$C_{\rm nuc}$的可能重要性。我们发现，$C_{\rm nuc}$是不能完全忽略的温度以下$\sim 0.5$ K，必须考虑到在定量分析的量热数据，该化合物低于该温度。我们发现，小的有效交换相互作用与静磁偶极相互作用负责的主要自旋冰现象。这导致了长程序的意外“折射”，这是从不完全自屏蔽偶极相互作用中预期的，并且将材料定位在两个竞争的经典长程有序基态之间的边界处。这使得新的物理低温现象的表现在Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$，暴露在最近的比热测量。我们发现，在四个最有可能的原因中观察到的比热在低温下的上升-一个交换诱导的过渡到长程序，量子非伊辛（横向）项的有效自旋哈密顿量，核超精细贡献和随机无序-只有最后一个似乎是合理地能够解释量热数据。
