Ученые ошибочно приняли новое состояние материи за квантовую спиновую жидкость
Исследователи из Университета Райса под руководством профессора Пэнчэна Дая совершили открытие, которое переворачивает предыдущие представления о природе магнитного материала CeMgAl11O19 (гексаалюминат церия-магния). Ранее этот материал ошибочно классифицировали как квантовую спиновую жидкость — экзотическую фазу, представляющую огромный интерес для разработки квантовых компьютеров. Однако в новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, ученые доказали, что наблюдаемые свойства материала объясняются совершенно иным, ранее неизвестным неквантовым состоянием вещества.
Классификация CeMgAl11O19 как квантовой спиновой жидкости основывалась на двух ключевых признаках: отсутствии магнитного упорядочения и наличии так называемого континуума состояний. В обычных изолирующих материалах магнитные ионы (в данном случае церия) при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, выстраиваются в едином порядке — либо ферромагнитном, либо антиферромагнитном, переходя в единственное низкоэнергетическое состояние. В квантовых спиновых жидкостях, напротив, ионы не застывают в одном порядке, а постоянно флуктуируют между разными состояниями благодаря квантовым эффектам, что и создает наблюдаемый континуум состояний и отсутствие намагниченности.
Изначально CeMgAl11O19 демонстрировал именно такую картину, что и ввело ученых в заблуждение. Однако более тщательный анализ, включавший бомбардировку материала нейтронами и серию точных измерений, показал иную природу явления. Как объяснили соавторы исследования Бинь Гао и Тун Чэнь, в этом материале граница между ферромагнитным и антиферромагнитным состояниями оказалась значительно слабее, чем в большинстве других веществ. Это привело к тому, что магнитные ионы получили свободу выбора: в одной и той же структуре одни ионы становились ферромагнитными, а другие — антиферромагнитными, что и создало иллюзию полного отсутствия магнитного порядка.
Такая гибкость породила целый набор возможных низкоэнергетических конфигураций. При охлаждении материал мог «выбрать» любую из них, и совокупность этих разных состояний в разных частях образца имитировала тот самый квантовый континуум. Ключевое отличие от истинной квантовой спиновой жидкости заключается в том, что, попав в одно из низкоэнергетических состояний, материал не мог переключиться в другое, так как этот процесс не поддерживался квантовой механикой.
По словам профессора Дая, это представляет собой новое, ранее не описанное состояние материи. Оно служит важным напоминанием о том, как много неизведанного таит в себе квантовая реальность, и подчеркивает необходимость тщательной проверки и глубокого анализа экспериментальных данных.