Учёные обнаружили новое необычное состояние вещества при изучении загадочного квантового материала
На протяжении десятилетий физики пытаются обнаружить так называемые квантовые спиновые жидкости — особые материалы, свойства которых могут помочь лучше понять природу магнетизма и приблизить создание полноценных квантовых компьютеров. Однако новое исследование международной группы учёных показало, что один из наиболее перспективных кандидатов на роль такой системы оказался совершенно другим типом вещества. Более того, исследователи заявили, что столкнулись с ранее неизвестным состоянием материи.
Речь идёт о соединении церий-магниевый гексаалюминат (CeMgAl11O19). Ранее его считали квантовой спиновой жидкостью из-за двух характерных признаков: отсутствия магнитного упорядочения и наличия так называемого континуума состояний — размытого спектра энергетических состояний, который обычно связывают с необычным квантовым поведением. Однако более детальный анализ показал, что эти свойства имеют совершенно иную природу.
По словам физика Бина Гао из Университета Райса в США, материал был отнесён к квантовым спиновым жидкостям именно из-за этих двух особенностей. Но более глубокое изучение показало, что причиной наблюдаемых эффектов не является квантовая спиновая жидкость.
До сих пор исследователи искали такие материалы, охлаждая вещества до экстремально низких температур и анализируя наличие двух основных признаков: хаотичного магнитного поведения и непрерывного спектра возбуждений. CeMgAl11O19 действительно демонстрировал оба этих эффекта, поэтому считался одним из наиболее перспективных природных кандидатов.
Квантовые спиновые жидкости давно существуют в виде теоретической концепции. Учёным уже удавалось создавать искусственные аналоги подобных систем в лабораториях, однако убедительных примеров природных квантовых спиновых жидкостей до сих пор обнаружено не было. Новая работа показывает, что традиционные критерии поиска могут быть недостаточно надёжными.
Для изучения материала исследователи использовали сразу несколько методов. Они направляли на кристалл рентгеновские лучи и нейтроны, охлаждали образцы до очень низких температур, а также воздействовали на них магнитными полями. Результаты экспериментов показали, что необычные свойства вещества возникают не из-за квантового состояния, а вследствие конкуренции магнитных взаимодействий внутри материала и необычного расположения атомов в его структуре.
Несмотря на то что CeMgAl11O19 больше не считается квантовой спиновой жидкостью, вещество всё равно оказалось крайне интересным для науки. Учёные заявляют, что обнаружили совершенно новое состояние материи, ранее не описанное в научной литературе.
Физик Тонг Чен из Университета Райса отметил, что исследователей заинтересовал набор свойств материала, который ранее никогда не наблюдался. По его словам, вещество не являлось квантовой спиновой жидкостью, хотя демонстрировало поведение, обычно связываемое именно с такими системами.
На первый взгляд подобные исследования могут казаться далёкими от практической жизни, однако квантовые спиновые жидкости считаются одним из потенциальных ключей к развитию квантовых вычислений. Предполагается, что такие материалы способны повысить стабильность квантовых компьютеров, которые сегодня остаются чрезвычайно хрупкими и склонными к ошибкам.
Учёные надеются, что свойства квантовых спиновых жидкостей могут помочь сделать хранение квантовой информации более устойчивым. Если подобные технологии удастся реализовать, это может значительно ускорить моделирование климата, прогнозирование погоды, разработку лекарств и решение других сложных вычислительных задач.
Ключевую роль в подобных системах играет понятие «спина» — особого типа момента импульса частицы при её движении в магнитной среде. Согласно современным гипотезам, в квантовой спиновой жидкости эти спины находятся в состоянии сильного беспорядка, что и создаёт необычные свойства материала.
Исследователи подчёркивают, что поиск настоящих квантовых спиновых жидкостей продолжается, хотя их редкость делает задачу чрезвычайно сложной. Несмотря на разочарование из-за того, что CeMgAl11O19 не оказался первым подтверждённым примером такой системы, материал всё равно стал важным ориентиром для дальнейших исследований.
Физик Пэнчэн Дай из Университета Райса заявил, что учёные, вероятно, первыми описали совершенно новое состояние вещества. По его словам, работа подчёркивает важность тщательных наблюдений и детального анализа экспериментальных данных.
Исследование в журнале Science Advances.