Наука 6 декабря 2021

Ученые из Гарварда открыли новое состояние материи — квантовую спиновую жидкость

Исследователи из Гарварда Михаил Лукин и Джулия Семегини возглавили команду, которая впервые наблюдала экзотическое состояние материи, называемое квантовой спиновой жидкостью. Об этом сообщает «Хайтек».

Читайте «Хайтек» в

Ученые из Гарварда впервые в мире наблюдали новое состояние материи. Гипотезу о его существовании выдвинули уже другие ученые почти 50 лет назад. Речь идет о квантовой спиновой жидкости, которая обладает большим потенциалом. Например, ее можно применять для квантовых вычислений.

Чтобы материалы стали магнитными, спины электронов в нем должны быть сильно упорядочены. Самый распространенный тип магнетизма (за счет которого магнит держится на холодильнике) работает, потому что спины всех электронов в материале ориентированы в одном направлении. Другие типы магнетизма могут возникать, когда спины соседних электронов чередуются вверх и вниз в виде клетки. Иными словами, все работает, пока в материале есть порядок.

Но в 1973 году физик Филип Андерсон выдвинул гипотезу о состоянии материи, которая называется квантовой спиновой жидкостью. Ее особенность в том, что она не подчиняется стандартными правилам магнетизма. Когда материал охлаждается, он не образует твердого тела и, что немаловажно, электроны не стабилизируются в высокоупорядоченном состоянии. Вместо этого они будут постоянно переключаться, запутываясь друг с другом в сложном квантовом состоянии.

Группа ученых под руководством Гарварда впервые создала и наблюдала квантовую спиновую жидкость. Для этого исследователи использовали программируемый квантовый симулятор, разработанный ими несколько лет назад, который с помощью лазеров удерживает 219 атомов в сетке. Свойства этих атомов можно осторожно изменять, включая спины их электронов.

Для этого исследования команда организовала атомы в треугольную решетку, что означает, что у каждого есть два ближайших соседа. Пара электронов может магнитно стабилизироваться так или иначе, потому что их спины могут либо совпадать, либо чередоваться, но наличие третьего колеса нарушает этот баланс, создавая «фрустрированный магнит», который не может осесть.

Квантовая спиновая жидкость, которая получилась в итоге, демонстрирует несколько полезных квантовых явлений. Во-первых, запутанность, когда атомы могут влиять друг на друга на огромных расстояниях и даже «телепортировать» информацию. Во-вторых, квантовую суперпозицию, когда атомы могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Оба они полезны для создания квантовых компьютеров, которые должны быть более устойчивыми к внешним помехам.

«Это особенный момент для науки. Теперь мы можем в буквальном смысле дотронуться до квантовой спиновой жидкости, манипулировать ее состоянием и изучать ее свойства. По своей сути это неизвестное нам состояние материи, которое никогда в прошлом не наблюдалось», — заявил профессор Гарвардского университета Михаил Лукин, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Подтвердив существование квантовой спиновой жидкости, профессор Лукин и его коллеги изучили ее физические свойства, а также попытались приспособить данную форму материи для создания квантовых ячеек памяти, защищенных от большинства внешних помех. Первые предварительные опыты, по словам исследователей, убедили их в том, что это возможно на практике. Исследование публикует журнал Science.