Физики обнаружили новое состояние вещества

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.

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.

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.