Физики обнаружили новое состояние вещества

Физики обнаружили новое состояние вещества

441

Фото: © Nagler S.E. et als. / Nature Materials

Ученые нашли экспериментальные доказательства существования квантовой спиновой жидкости.

Физики из США и Германии нашли подтверждение существования квантовой спиновой жидкости особого магнитного состояния вещества, теоретически предсказанного ещё в 1973 году. Новое открытие может существенно ускорить и удешевить создание более эффективных и надежных квантовых компьютеров. Соответствующая работа опубликована в журнале Nature Materials.

Вопреки названию, квантовая спиновая жидкость (КСЖ) скорее выглядит как твёрдое тело кристалл с упорядоченной кристаллической решёткой. В неупорядоченном состоянии, характерном для жидкостей, там находятся не атомы вещества, а спины электронов (спином называют собственный момент импульса частицы или, очень упрощённо говоря, в случае электрона — направление его вращения вокруг собственной оси).

До настоящего времени человечество знало только о двух магнитных состояниях вещества: ферромагнетизм (его можно наблюдать, вешая магнит на холодильник) и антиферромагнетизм (его используют для создания новых типов компьютерной памяти). В ферромагнетиках спины всех электронов выстроены в одном направлении, отчего все магнитные силы действуют в одном направлении. Это позволяет им сохранять намагниченность даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

© wikipedia.org/Jens Böning

В антиферромагнетиках (где магнетизм тоже есть) спины частиц выстраиваются в противоположном друг другу направлении, отчего полностью компенсируют действие друг друга. А вот в квантовой спиновой жидкости спины ориентированы всегда по-разному, хаотично (упрощённо  словно рассыпанные в трёхмерном пространстве палочки). Из-за этого в магнитном смысле квантовая спиновая жидкость бесструктурна составляющие её электроны магнитно ориентированы в совершенно разных направлениях даже при очень низких температурах.

© wikipedia.org/Michael Schmid

В своём новом эксперименте физики стремились найти точное инструментальное подтверждение тому, что ряд ранее наблюдавшихся феноменов  действительно состояние спиновой жидкости. Для этого они использовали метод неупругого рассевания нейтронов на кристаллах хлорида рутения. В ходе этого процесса плоские твёрдые образцы кристаллов RuCl3 обстреливали нейтронами из искусственного источника (специально подготовленной смеси радиоактивных изотопов, испускающего нейтроны нужной энергии).

Нейтроны поглощались ядрами атомов кристалла хлорида рутения, отчего ядра переходили в возбуждённое состояние и затем в свою очередь вынужденно испускали нейтроны, но уже с другой энергией. По тому, насколько энергия «исходящего» нейтрона отличалась от энергии «входящего», можно было определить характер процессов, происходящих в атоме.

Выяснилось, что электроны в плоском образце кристалла хлорида рутения испытывают так называемое «расщепление». Физически электрон можно упрощённо представить как носитель малого отрицательного электрического заряда и одновременно крошечный магнит, причём в норме носитель заряда и магнит находятся физически в одной точке. А вот при «расщеплении», с точки зрения внешнего наблюдателя, отрицательный электрический заряд электрона и его магнитное поле (спиновое) получают возможность двигаться в разных направлениях.

Сам электрон при этом фактически не страдает, ведь он в силу своих размеров подчиняется законам квантовой механики, где отдельные процессы демонстрируют неожиданное «дальнодействие» (как, например, запутанные фотоны, которые, будучи разнесены на расстояние, где невозможны какие-либо известные взаимодействия, тем не менее остаются каким-то образом взаимосвязаны). Теоретическая модель, описывающая спиновую жидкость, предсказывает именно такое поведение для электронов внутри неё. Из чего исследователи сделали вывод о надёжной регистрации признаков квантовой спиновой жидкости в изученном ими кристалле хлорида рутения.

Спиновая жидкость  давний объект научных поисков. Теория предсказывает, что в них сложные квантовые состояния, необходимые для функционирования квантовых компьютеров, могут избегать разрушения (декогеренции). Существующие сегодня квантовые компьютеры во избежание декогеренции вынужденно работают при температурах, близких к абсолютному нулю, что делает такие системы очень дорогими и громоздкими. Авторы работы предполагают, что дальнейшие исследования материалов, имеющих свойства спиновой жидкости, могут привести к созданию менее требовательных квантовых компьютеров, способных работать при комнатной температуре.

Следует отметить, что первые следы спиновой жидкости были открыты экспериментально ещё в 2011-2012 годах (например, в минерале гильбертисмите). Однако без использования нейтронных методов исследования таких образцов надёжно подтвердить подобное открытие было затруднительно. Именно этот пробел и исправила новая работа.

  • Популярные
  • По времени
Похоже, что вы используете блокировщик рекламы :(
Чтобы пользоваться всеми функциями сайта, добавьте нас в исключения!
как отключить
×
Скачайте в App Store
#Первые по срочным новостям!
Загрузите на Google Play
#Первые по срочным новостям!