Впервые обнаружено необычное квантовое состояние (в материале, созданном в лаборатории)

Международная группа исследователей, включая физиков из Монреальского университета, обнаружила необычное квантовое состояние в магнитном материале, созданном в лаборатории. Материал, состоящий из церия, циркония и кислорода, имеет основное состояние, подобное квантовой спиновой жидкости (новое состояние материи, существование которого было недавно подтверждено).

В квантовой физике спин (или магнитный момент) - это одно из внутренних свойств электронов, которое придает материалу магнита магнитные свойства; спин можно рассматривать как маленький компас, указывающий вверх или вниз. В обычных магнитах спины соседних электронов ориентированы в одном направлении, поэтому они образуют ферромагнитную фазу (которая является основой намагниченности).

И наоборот, когда спины соседних электронов ориентированы в противоположных направлениях, намагниченность отсутствует; в этом случае материал является антиферромагнитным. Но такая антипараллельная ориентация возможна только в определенной структуре кристаллической решетки: именно физик Филипп Андерсон в 1973 году предположил, что условие антипараллельности можно выполнить с помощью треугольной решетки (поскольку если два спина антипараллельны, то третий обязательно параллелен одному из двух других). И в этом случае состояние с самой низкой энергией (основное состояние) может быть достигнуто в нескольких спиновых конфигурациях.

"Спины электронов не могут выровняться, потому что два соседних электрона всегда должны иметь противоположные спины, создавая то, что мы называем магнитной фрустрацией", — объясняет Андреа Бьянки, физик из Монреальского университета, в пресс-релизе. Поскольку он может спонтанно переходить от одной спиновой конфигурации к другой без изменения энергии, система нестабильна и не имеет магнитного порядка; спины принимают дезорганизованную структуру, подобную структуре молекул в жидкости, отсюда и термин "спиновая жидкость".

В отличие от большинства материалов, атомы которых становятся все более неупорядоченными при повышении температуры, спиновые жидкости остаются неупорядоченными даже при температуре, близкой к абсолютному нулю; направление спинов продолжает колебаться, что придает этому состоянию материи необычные свойства.

Квантовые спиновые жидкости представляют большой интерес для физиков, поскольку они обладают множеством неоткрытых возбужденных состояний. В новом эксперименте Бьянки и её команда намеренно создали треугольные массивы электронов, чтобы вызвать магнитную фрустрацию в ядре специально разработанного в их лаборатории материала формулы Ce₂Zr₂O₇.

Ce₂Zr₂O₇ - это материал на основе церия с магнитными свойствами, о существовании которого уже было известно. Исследователи синтезировали его в чрезвычайно чистой форме. "Мы использовали образцы, расплавленные в оптической печи, чтобы получить почти идеальное треугольное расположение атомов", — объясняет Бьянки. Создав таким образом магнитную фрустрацию в материале, они измерили магнитное рассеяние.

Измерения выявили перекрытие волновой функции частиц, что отражает отсутствие магнитного порядка. Исследователи также наблюдали распределение спинов, направления которых постоянно колеблются, что характерно для спиновых жидкостей и магнитной фрустрации. Другими словами, созданный материал при низких температурах вел себя как настоящая спиновая жидкость.

В частности, исследователи сообщают, что измеренные параметры взаимодействия указывают на основное состояние квантовой спиновой жидкости, близкое к границе между "дипольным" и "октупольным" поведением - это говорит о том, что материал на основе церия имеет фазу квантовой спиновой жидкости с участием магнитных диполей и октуполей во флуктуирующей квантовой запутанности. Это открытие тем более необычно, что в квантовых спиновых жидкостях обычно используются только диполи.

Компьютерное моделирование подтвердило наблюдения команды: они действительно создали квантовое состояние, которое никогда ранее не наблюдалось. "Наш материал является революционным, поскольку мы первыми показали, что он действительно может представлять собой спиновую жидкость", - говорит Бьянки. По словам Бьянки, это открытие может проложить путь к новым подходам к разработке квантовых компьютеров.