Ученым впервые удалось воссоздать квантовую спиновую жидкость

Ученые разработали новый подход к созданию материалов со сложными, «неупорядоченными» магнитными свойствами на квантовом уровне. Они создали материал, который соответствует требованиям для неуловимого «состояния спиновой жидкости Китаева», феномена, который озадачивал исследователей на протяжении десятилетий.

Важно, что материал предлагает новый способ изучения магнитных свойств, принципиально отличающихся от обычных ферромагнетиков, которые упорядочены вокруг двух магнитных полюсов. В традиционных ферромагнетиках, таких как привычные магниты на холодильниках или досках объявлений, электроны взаимодействуют между собой, выстраиваясь в одном направлении, что создает магнитную силу. В отличие от них, новые материалы демонстрируют неупорядоченное магнитное поведение, открывая захватывающие возможности в квантовой науке и технологии.

Материалы квантовой спиновой жидкости имеют магнитные свойства, которые отличаются от свойств ферромагнетиков. В них нет упорядоченности, характерной для ферромагнетиков, а электроны внутри этих материалов соединяются магнитно благодаря процессу, который называется квантовой запутанностью.

Хотя квантовые спиновые жидкости существуют в теории и были смоделированы учеными, ранее не удавалось получить их экспериментально или обнаружить в природе. В новом исследовании ученые описывают свойства нового материала на основе рутения, который открывает новые пути для изучения этих состояний вещества.

«Эта работа — действительно важный шаг в понимании того, как мы можем проектировать новые материалы, которые позволяют нам исследовать квантовые состояния материи. Она открывает большое семейство материалов, которые до сих пор были недостаточно изучены и которые могут дать важные подсказки о том, как мы можем проектировать новые магнитные свойства для использования в квантовых приложениях», — объясняет ведущий исследователь доктор Люси Кларк.

По мнению ученых, квантовая спиновая жидкость может существовать в некоторых природных медных минералах и минеральных кристаллических системах, но это пока не доказано. Причина — дополнительные структурные сложности, которые встречаются в природе. Сложность квантовых спиновых жидкостей также создает трудности для теоретиков, поскольку моделирование приводит к множеству конкурирующих магнитных взаимодействий, которые чрезвычайно трудно распутать, что вызывает разногласия среди физиков.

В 2009 году физик-теоретик Алексей Китаев создал модель, которая смогла показать некоторые ключевые принципы квантовых спиновых жидкостей. Однако для описанных в ней магнитных взаимодействий требовалась среда, которую ученые не могли создать в ходе экспериментов без возвращения материалов в обычное упорядоченное магнитное состояние.

Считается, что это поведение связано с плотно упакованными кристаллическими структурами материалов-кандидатов. Поскольку ионы упакованы так близко друг к другу, они способны напрямую взаимодействовать друг с другом, что приводит к их возвращению к магнитному порядку.

Используя специализированные приборы на британском источнике нейтронов и мюонов ISIS и источнике алмазного света, группа из Бирмингема смогла показать, что новый материал с открытой структурой каркаса может настраивать взаимодействия между ионами металлического рутения, открывая новый путь квантового спинового жидкого состояния Китаева.

Важно отметить, что магнитные взаимодействия, возникающие внутри этих более открытых структур, слабее, чем могли бы быть в обратном случае, что дает ученым больше возможностей для настройки их точного поведения.

«Хотя эта работа не привела к созданию идеального материала Китаева, она продемонстрировала полезный мост между теорией в этой области и экспериментами и открыла новые плодотворные области для исследований», — добавил доктор Кларк.

Ранее ученые в области прикладной физики из Университета Аалто разработали инновационный метод создания крошечных «световых ураганов» — вихрей. Этот метод позволяет более быстро передавать информацию, управляя металлическими наночастицами, взаимодействующими с электрическими полями.