Обнаружено необычное квантовое состояние материи

Не каждый день кто-то сталкивается с новым состоянием материи в квантовой физике, научной области, посвященной описанию поведения атомных и субатомных частиц с целью выяснения их свойств. Тем не менее, это именно то, что сделала международная группа исследователей, в которую входят Андреа Бьянки, профессор физики Университета Монреаля и исследователь Квебекской перегруппировки материалов, а также его студенты Авнер Фиттерман и Жереми Дюдемейн. В недавней статье, опубликованной в научном журнале Physical Review X, исследователи документируют «основное состояние квантовой спиновой жидкости» в магнитном материале, созданном в лаборатории Бьянки: Ce2Zr2O7, соединении, состоящем из церия, циркония и кислорода.

В квантовой физике спин — это внутреннее свойство электронов, связанное с их вращением. Именно спин придает материалу в магните его магнитные свойства. В некоторых материалах вращение приводит к неорганизованной структуре, подобной структуре молекул в жидкости, отсюда и выражение «спиновая жидкость». Как правило, материал становится более дезорганизованным по мере повышения его температуры. Так бывает, например, когда вода превращается в пар. Но главная характеристика спиновых жидкостей состоит в том, что они остаются неорганизованными даже при охлаждении до абсолютного нуля (-273°С). Спиновые жидкости остаются неорганизованными, потому что направление вращения продолжает колебаться по мере охлаждения материала, а не стабилизируется в твердом состоянии, как это происходит в обычном магните, в котором все спины выровнены.

Представьте себе электрон в виде крошечного компаса, который указывает либо вверх, либо вниз. В обычных магнитах все электронные спины ориентированы в одном направлении, вверх или вниз, создавая так называемую «ферромагнитную фазу». Это то, что хранит фотографии и заметки на вашем холодильнике. Но в квантовых спиновых жидкостях электроны расположены в треугольной решетке и образуют «menage a trois», характеризующуюся интенсивной турбулентностью, нарушающей их порядок. Результатом является запутанная волновая функция и отсутствие магнитного порядка. «Когда добавляется третий электрон, спины электронов не могут выровняться, потому что два соседних электрона всегда должны иметь противоположные спины, создавая то, что мы называем магнитной фрустрацией», — объяснил Бьянки. «Это генерирует возбуждения, которые поддерживают беспорядок спинов и, следовательно, жидкое состояние даже при очень низких температурах». Так как же они добавили третий электрон и вызвали такое разочарование?

Введите расстроенный магнит Ce2Zr2O7, созданный Бьянки в его лаборатории. К его и без того длинному списку достижений в области разработки передовых материалов, таких как сверхпроводники, теперь мы можем добавить «мастер искусства создания фрустрирующих магнитов». Ce2Zr2O7 — материал на основе церия с магнитными свойствами. «Существование этого соединения было известно», — сказал Бьянки. «Нашим прорывом было создание его в уникально чистой форме. Мы использовали образцы, расплавленные в оптической печи, для получения почти идеального треугольного расположения атомов, а затем проверили квантовое состояние».

Именно этот почти идеальный треугольник позволил Бьянки и его команде из UdeM создать магнитное расстройство в Ce2Zr2O7. Работая с исследователями из университетов штата Макмастер и Колорадо, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене, Германия, они измерили магнитную диффузию соединения. «Наши измерения показали перекрывающуюся функцию частиц — следовательно, пики Брэгга отсутствуют — явный признак отсутствия классического магнитного порядка», — сказал Бьянки. «Мы также наблюдали распределение спинов с непрерывно флуктуирующими направлениями, что характерно для спиновых жидкостей и магнитных фрустраций. Это указывает на то, что созданный нами материал ведет себя как настоящая спиновая жидкость при низких температурах».

Подтвердив эти наблюдения компьютерным моделированием, команда пришла к выводу, что они действительно были свидетелями невиданного ранее квантового состояния. «Выявление нового квантового состояния материи — это мечта каждого физика», — сказал Бьянки. «Наш материал является революционным, потому что мы первыми показали, что он действительно может представлять собой спиновую жидкость. Это открытие может открыть двери для новых подходов к разработке квантовых компьютеров».

Магнетизм — это коллективное явление, при котором все электроны в материале вращаются в одном направлении. Повседневным примером является ферромагнетик, который обязан своими магнитными свойствами выстраиванию спинов. Соседние электроны также могут вращаться в противоположных направлениях. В этом случае спины по-прежнему имеют четко определенные направления, но намагниченности нет. Фрустрированные магниты фрустрированы, потому что соседние электроны пытаются ориентировать свои спины в противоположных направлениях, и когда они оказываются в треугольной решетке, они уже не могут расположиться в общем стабильном расположении. Результат: расстроенный магнит.

Источник