Физики из Швейцарии, Франции, Канады и США собрали экспериментальные доказательства, которые подтверждают существование квантовой спиновой жидкости. Это загадочное состояние материи, в котором магнитные частицы не упорядочиваются даже при абсолютном нуле, пребывая в постоянно изменчивом, взаимосвязанном квантовом «танце».
В квантовой механике электроны обладают свойством, называемым спином, которое ведет себя как миниатюрный стержневой магнит. Когда взаимодействует много электронов, их спины обычно выравниваются или анти-выравниваются (выравниваются в противоположном направлении).
Однако в некоторых кристаллических структурах, например, в пирохлорах, такое выравнивание нарушается. Это приводит к «магнитной фрустрации», которая не дает спинам стабилизироваться. В результате формируются условия, при которых квантовая механика может проявляться необычными способами, в том числе в виде квантовых спиновых жидкостей.
Исследователи использовали передовые методы нейтронного рассеяния при сверхнизких температурах, чтобы зафиксировать это уникальное квантовое поведение. Соавтор исследования, Андрей Невидомский из Университета Райса объясняет, что фрустрация в квантовой спиновой жидкости настолько сильна, что электроны образуют квантово-механическую суперпозицию. Это приводит к корреляциям между спинами, как если бы они были погружены в жидкость.
В экспериментах физики наблюдали характерные сигнатуры квантовых спиновых жидкостей, а также возникновение спинонов — квазичастиц, которые обеспечивают распространение колебаний спинов.
Элементарные возбуждения (в спиновой жидкости) — это не отдельный спин, меняющий направление сверху вниз или наоборот. Вместо этого они представляют собой странные, делокализованные объекты, несущие половину одной степени свободы спина; мы называем их спинонами. Это явление, когда один спин как будто разделяется на две половины, называется фракционированием.
Андрей Невидомский, соавтор исследования из Университета Райса
Исследователи отмечают, что спиноны могут даже «разговаривать» друг с другом, обмениваясь квантовыми частицами. Это взаимодействие чем-то похоже на то, как электроны обмениваются фотонами в квантовой теории света, но движутся частицы спинонов гораздо медленнее. Ученые полагают, что изучение спиновых жидкостей может привести к открытиям в фундаментальной физике, а также найти практическое применение в квантовых вычислениях.
Читать далее:
Квантовый чип Google превзошел суперкомпьютеры на септиллионы лет
Болото вместо степи: выяснили, каким был мост между Евразией и Америкой
Как на самом деле выглядел Иисус: эксперты развенчали популярный миф
На обложке: Изображение от awesomecontent на Freepik, сведения о лицензии