Физики нашли новый пример квантовой спиновой жидкости

Международная группа физиков под руководством Беллы Лейк из Технического университета Берлина экспериментально обнаружила квантовую спиновую жидкость в новом материале — смешанном оксиде кальция и хрома. Это редкое квантовое свойство, при котором спины отдельных атомов не замирают даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Одним из потенциальных применений, которые предлагаются для подобных систем являются топологические квантовые компьютеры, защищенные от разрушения квантовых состояний. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics (препринт), кратко о нем сообщает пресс-релиз Ассоциации Гельмгольца исследовательских центров Германии.

Квантовые спиновые жидкости — особый тип магнитных материалов с необычным упорядочением спинов. Для простоты при описании магнитных материалов можно представить себе, что некоторые атомы ведут себя как маленькие магниты. Направление спина соответствует ориентации этих магнитов. В ферромагнетиках, например в железе, все спины стремятся быть сонаправленными — благодаря этому возникает намагниченность. В антиферромагнетиках ситуация противоположна — атомы-магниты стремятся быть направленными в противоположные стороны. 

Из антиферромагнитно взаимодействующих атомов можно легко построить квадратную сетку — в ее узлах будут чередоваться направления магнитов «вверх» и «вниз». Но если перейти от квадратной сетки к ромбической, состоящей из правильных треугольников, то даже внутри одного треугольника нельзя ориентировать магниты «правильно». Такое состояние называется фрустрацией. И если в большинстве материалов с «магнитными атомами» упорядочение все-таки возникает при низких температурах, то фрустрированные магнетики остаются разупорядоченными даже вблизи абсолютного нуля. Спины в них совершают коллективные движения.

Теоретически спиновые жидкости были предсказаны в 1973 году, но их первые экспериментальные наблюдения относятся к XXI веку. Существует лишь ограниченное количество материалов, в которых наблюдались похожие состояние — среди них хлорид рутения, гербертсмитит и еще несколько веществ. В новой работе авторы добавили к этому перечню новое соединение — сложный оксид состава Ca₁₀Cr₇O₂₈.

В отличие от чистых ферромагнетиков и антиферромагнетиков, в этом соединении атомы в разных позициях кристаллической решетки по-разному взаимодействуют друг с другом: некоторые пары атомов стремятся к ферромагнитному упорядочению, некоторые — к антиферромагнитному. Сам же материал обладает традиционной для фрустрированных магнетиков решеткой кагоме, состоящей из треугольных и шестиугольных мотивов. Считается, что сильные ферромагнитные взаимодействия (по сравнению с антиферромагнитными) должны нарушать состояния квантовой спиновой жидкости. Но несмотря на это авторам все равно удалось пронаблюдать необычное состояние при чрезвычайно низких температурах.

Для того, чтобы отличить спиновую жидкость от обычного магнетика авторы использовали нейтронное рассеяние на образце и мюонную спектроскопию. Оба этих метода позволяют измерять магнитные поля на масштабах единичных атомов. К примеру, в мюонной спектроскопии на образец направляется пучок спин-поляризованных мюонов (тяжелых аналогов электронов). Магнитные поля атомов изменяют поляризацию частиц, что сказывается на том, как они распадаются. Оказалось, что коллективные движения спинов сохранялись при температурах до 20 милликельвинов. 

Авторы отмечают, что помимо синтеза нового материала, в котором реализуются спиновые жидкости, в результате исследования удалось построить расширенную теоретическую модель. Она открывает перед исследователями целый новый класс материалов, в которых можно пронаблюдать это редкое квантовое явление. 

Ранее международной группе физиков удалось пронаблюдать в спиновой жидкости следы явления, предсказанного лишь теоретически. Согласно модели, которую предложил американско-российский физик Алексей Китаев, электроны в таком материале могут расщепляться на особые квазичастицы — майорановские фермионы. Эти частицы могут открыть путь к «топологически защищенным» квантовым вычислениям.

Владимир Королёв