Учёные подтвердили реальность экзотической квантовой спиновой жидкости в уникальных кристаллах
Учёные получили одно из наиболее убедительных доказательств существования загадочного квантового состояния материи, известного как «квантовая спиновая жидкость». Внутри некоторых магнитных материалов электроны ведут себя вопреки привычным законам: их спины, вместо того чтобы упорядочиться, остаются в постоянном «беспокойном» движении, флуктуируя даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Десятилетия это состояние оставалось теоретической концепцией, но новое исследование на реальных кристаллах указывает на его реальность и, возможно, универсальность для целого класса материалов.
Основная сложность в обнаружении квантовой спиновой жидкости заключается в отсутствии очевидных следов её присутствия. В отличие от обычных магнетиков, где спины образуют чёткие упорядоченные структуры, в этом экзотическом состоянии они никогда не «успокаиваются», а их поведение определяется глубинными квантово-механическими корреляциями — запутанностью. Команда исследователей под руководством Янга Ли, профессора Стэнфордского университета, уже более двадцати лет занимается изучением этих состояний, которые потенциально обладают дальнодействующей квантовой запутанностью, редко встречающейся в реальных материалах.
Чтобы преодолеть трудности идентификации, учёные сфокусировались на материалах с кагоме-решёткой — особой геометрической структурой атомов, напоминающей узор из переплетённых треугольников. Такая структура естественным образом препятствует магнитному упорядочиванию, что делает её идеальным кандидатом для поиска спиновой жидкости. Ранее команда изучала материал гербертсмитит, где были зафиксированы необычные магнитные возбуждения. Однако оставался открытым вопрос: являются ли эти сигналы универсальным свойством кагоме-решётки или лишь особенностью конкретного соединения?
Для ответа на этот вопрос исследователи синтезировали высококачественные монокристаллы другого кагоме-материала — Zn-барлоуита. Создание таких чистых и упорядоченных образцов — сложная, но необходимая задача для точных измерений. Охладив кристаллы до сверхнизких температур, физики изучили их основное состояние с помощью метода неупругого рассеяния нейтронов высокого разрешения. Нейтроны, проникая глубоко в материал, взаимодействуют со спинами электронов, позволяя отследить их корреляции в пространстве и колебания во времени.
Результаты оказались поразительными. Вместо предсказуемых магнитных волн, магнонов, возбуждения в материале распадались на более мелкие фрагментарные частицы — спиноны. Как пояснил Янг Ли, их измерения показали, что фундаментальные возбуждения спинов в кагоме-решётке проявляются именно в форме спинонов, что является признаком их дробления. Такое поведение возможно только в системах с сильной квантовой запутанностью. Более того, характер поведения спинонов в Zn-барлоуите практически в точности повторил картину, ранее наблюдавшуюся в гербертсмитите. Это сходство указывает на то, что оба материала содержат одно и то же фундаментальное состояние квантовой спиновой жидкости, что говорит об универсальности явления для данного класса соединений.
Данная работа представляет собой важный шаг на пути к консенсусу в физике конденсированного состояния относительно реального материала, неоспоримо обладающего основным состоянием в форме квантовой спиновой жидкости. Демонстрация одинаковых экзотических возбуждений в двух разных материалах, согласующихся с теоретическими предсказаниями, укрепляет позиции гипотезы о том, что квантовые спиновые жидкости — это реальные и устойчивые фазы материи. В долгосрочной перспективе такие состояния, обладающие дальнодействующей квантовой запутанностью, могут найти применение в квантовых вычислениях и защищённом хранении информации. Однако путь к практическому использованию ещё далёк, поскольку у науки пока нет прямых инструментов для измерения квантовой запутанности внутри твёрдых материалов. Дальнейшие исследования будут направлены на преодоление этого фундаментального вызова.
Исследование в журнале Nature Physics.