Впервые ученые столкнулись с новым состоянием материи в квантовой физике, научной области, посвященной описанию поведения атомных и субатомных частиц с целью выяснения их свойств. https://phys.org/news/2022-05-unusual-quantum
Тем не менее, это именно то, что сделала международная команда исследователей, в которую входят Андреа Бьянки, профессор физики Монреальского университета и исследователь из группы В Квебекуа-сюр-ле-пуант, а также его ученики Авнер Фиттерман и Жереми Дюдемейн.
В недавней статье, опубликованной в научном журнале Physical Review X, исследователи документируют «основное состояние квантовой спиновой жидкости» в магнитном материале, созданном в лаборатории Бьянки: Ce2Zr2O7, соединение, состоящее из церия, циркония и кислорода. В квантовой физике спин — это внутреннее свойство электронов, связанное с их вращением. Именно вращение придает материалу в магните его магнитные свойства. В некоторых материалах вращение приводит к неорганизованной структуре, подобной структуре молекул в жидкости, отсюда и выражение «спиновая жидкость». Как правило, материал становится более дезорганизованным по мере повышения его температуры. Это имеет место, например, когда вода превращается в пар. Но основной характеристикой спиновых жидкостей является то, что они остаются дезорганизованными даже при охлаждении до абсолютного нуля (-273°C). Спиновые жидкости остаются дезорганизованными, потому что направление вращения продолжает колебаться по мере охлаждения материала вместо стабилизации в твердом состоянии, как это происходит в обычном магните, в котором все вращения выровнены.
Искусство «расстраивать» электроны
Представьте себе электрон в виде крошечного компаса, который указывает либо вверх, либо вниз. В обычных магнитах все электронные спины ориентированы в одном направлении, вверх или вниз, создавая так называемую «ферромагнитную фазу». Это то, что хранит фотографии и заметки, прикрепленные к вашему холодильнику. Но в квантовых спиновых жидкостях электроны расположены в треугольной решетке и образуют «тройку», характеризующуюся интенсивной турбулентностью, которая нарушает их порядок. В результате получается запутанная волновая функция и отсутствие магнитного порядка. «Когда добавляется третий электрон, спины электронов не могут выровняться, потому что два соседних электрона всегда должны иметь противоположные спины, создавая то, что мы называем магнитным расстройством», — объяснил Бьянки. «Это порождает возбуждения, которые поддерживают беспорядок спинов и, следовательно, жидкое состояние даже при очень низких температурах».
Так как же они добавили третий электрон и вызвали такое разочарование? Создание семьи втроем
Введите расстроенный магнит Ce2Zr2O7, созданный Бьянки в его лаборатории. К его и без того длинному списку достижений в разработке передовых материалов, таких как сверхпроводники, теперь мы можем добавить «мастера искусства разрушения магнитов». Ce2Zr2O7 — это материал на основе церия, обладающий магнитными свойствами. «О существовании этого соединения было известно», — сказал Бьянки. «Нашим прорывом было создание его в уникальной чистой форме. Мы использовали образцы, расплавленные в оптической печи, чтобы получить почти идеальное треугольное расположение атомов, а затем проверили квантовое состояние «. Именно этот почти идеальный треугольник позволил Бьянки и его команде из UdeM создать магнитное расстройство в Ce2Zr2O7. Работая с исследователями из университетов Макмастера и штата Колорадо, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Института физики сложных систем имени Макса Планка в Дрездене, Германия, они измерили магнитную диффузию соединения. «Наши измерения показали перекрывающуюся функцию частиц — следовательно, отсутствие пиков Брэгга — явный признак отсутствия классического магнитного порядка», — сказал Бьянки. «Мы также наблюдали распределение спинов с непрерывно меняющимися направлениями, что характерно для спиновых жидкостей и магнитных фрустраций. Это указывает на то, что созданный нами материал ведет себя как настоящая вращающаяся жидкость при низких температурах».
От мечты к реальности
Подтвердив эти наблюдения компьютерным моделированием, команда пришла к выводу, что они действительно были свидетелями невиданного ранее квантового состояния. «Идентификация нового квантового состояния материи — это сбывшаяся мечта каждого физика», — сказал Бьянки. «Наш материал является революционным, потому что мы первыми показали, что он действительно может представлять собой вращающуюся жидкость. Это открытие может открыть двери для новых подходов в проектировании квантовых компьютеров».
Разочарованные магниты в двух словах
Магнетизм — это коллективное явление, при котором все электроны в материале вращаются в одном направлении. Повседневным примером является ферромагнетик, который обязан своими магнитными свойствами выравниванию спинов. Соседние электроны также могут вращаться в противоположных направлениях. В этом случае спины по-прежнему имеют четко определенные направления, но намагниченности нет. Расстроенные магниты расстроены, потому что соседние электроны пытаются сориентировать свои спины в противоположных направлениях, и когда они оказываются в треугольной решетке, они больше не могут остановиться на общем, стабильном расположении. Результат: разочарованный магнит.
Автор — Martin Lasalle, University of Montreal