Физики наблюдали квантовую спиновую жидкость: странное состояние вещества

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.

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.