Физики достигли значительного прогресса в понимании квантовых спиновых жидкостей, уникального состояния материи, где магнитные частицы сохраняют постоянно колеблющееся состояние даже при абсолютном нуле. Это интригующее поведение, управляемое сложными квантовыми правилами, теоретизировалось на протяжении многих лет, но доказать его существование оказалось сложной задачей.
12 декабря 2024 года международная группа исследователей из Швейцарии, Франции, Канады и США опубликовала результаты в журнале Nature Physics, представив доказательства квантовой спиновой жидкости в материале, известном как пирохлор стронция. Используя передовые экспериментальные методы, такие как рассеяние нейтронов при ультранизких температурах, исследователи измерили взаимодействия нейтронов со спинами электронов, выявив коллективные возбуждения, похожие на световые волны.
Ромен Сибиль, руководитель экспериментальной группы в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии, отметил: «Сам эксперимент рассеяния нейтронов проводился на высокоспециализированном спектрометре, что позволило нам получить данные с крайне высокой разрешающей способностью». Исследование представляет собой кульминацию усилий по выявлению окончательных признаков квантовых спиновых жидкостей.
Феномен магнитной фрустрации в определенных кристаллических структурах нарушает выравнивание спинов электронов, что приводит к необычным квантовым поведениям. В этом состоянии спины не стабилизируются в конвенциональных порядках, а вместо этого формируют жидкостные корреляции, что приводит к возбуждениям, известным как спиноны, которые ведут себя как фракционные частицы.
Андрий Невидомский, доцент физики в Университете Райса, объяснил, что взаимодействия между этими спинонами напоминают взаимодействия электрически заряженных частиц, при этом обмен световыми кванта облегчает их взаимодействия. Эта связь с квантовой электродинамикой (QED) предполагает, что изучение квантовых спиновых жидкостей может проложить путь к достижениям в квантовых технологиях, включая квантовые вычисления.
Полученные результаты также открывают возможности для изучения двойных частиц, известных как визоны, которые несут электрический заряд, потенциально связывая с давно теоретизированными магнитными монополями. Невидомский выразил энтузиазм по поводу будущих исследований, заявив: «После этого открытия еще более захватывающе искать доказательства частиц, подобных монополям, в игрушечной вселенной, сформированной из спинов электронов в куске материала».
Это исследование, поддержанное различными национальными научными фондами, не только улучшает понимание квантовой механики, но также предлагает перспективы для практических приложений в квантовых технологиях следующего поколения.