Кобальтовая решётка открывает путь к управлению квантовыми спиновыми жидкостями
Учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж создали и детально изучили новый магнитный материал, поведение которого приближает науку к созданию экзотического состояния вещества, известного как квантовая спиновая жидкость. В отличие от обычных магнитов, чьи микроскопические магнитные моменты упорядочиваются при охлаждении, в такой жидкости они остаются в состоянии квантового беспорядка даже при экстремально низких температурах, что потенциально открывает путь к новым технологиям.
Исследователи сосредоточились на соединении арсената калия-кобальта, в котором атомы кобальта образуют идеальную для этой цели двумерную сотовую решётку, подобную сотам. Получить материал оказалось сложной задачей, так как он разлагается при сильном нагреве. Команда решила эту проблему, выращивая кристаллы путём медленного нагрева тщательно подготовленного раствора при низких температурах. Последующие химический анализ, электронная микроскопия и дифракция подтвердили точный состав и наличие искажённой сотовой решётки.
Детальные измерения теплоёмкости и магнитных свойств показали, что при охлаждении ниже примерно –259 °C спины кобальта всё же замораживаются в упорядоченную структуру, а не остаются в текучем состоянии. Однако эксперименты по рассеянию нейтронов и компьютерное моделирование раскрыли ключевую деталь: в материале присутствуют слабые экзотические взаимодействия, предсказанные теоретической моделью физика Алексея Китаева, которые необходимы для возникновения спиновой жидкости. Они оказались слишком слабы, чтобы преобладать над обычными магнитными силами, но сам факт их наличия крайне важен.
Таким образом, хотя материал и не стал полноценной квантовой спиновой жидкостью, он находится вблизи критической точки. Расчёты показывают, что небольшое изменение химического состава, давление или сильное магнитное поле могут усилить взаимодействия Китаева и переломить баланс. Это открывает практический путь к целенаправленному инженерному созданию такого состояния. Квантовые спиновые жидкости рассматриваются как платформа для возникновения коллективных возбуждений — майорановских фермионов, которые считаются перспективными и устойчивыми к помехам строительными блоками для квантовых компьютеров и сенсоров будущего. Исследование, по словам учёных, предоставляет новую платформу для разработки подобных систем.
Результаты работы в журнале Inorganic Chemistry.