Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса
Магнитные материалы в фазе квантовой спиновой жидкости представляют большой интерес для изучения экзотических состояний вещества и квантовых вычислений. Но в квантовой области все не всегда так, как кажется. Исследование, опубликованное в Science Advances и проведенное под руководством Пэнчэна Дая из Университета Райса, показало, что гексаалюминат магния-церия (CeMgAl11O19) на самом деле не находится в фазе квантовой спиновой жидкости, несмотря на все признаки обратного.
«Материал был классифицирован как квантовая спиновая жидкость из-за двух свойств: наличия континуума состояний и отсутствия магнитного упорядочения, — говорит Бин Гао, один из первых авторов исследования и научный сотрудник Университета Райса. — Но более тщательное изучение материала показало, что в основе этих свойств лежит не квантовая спиновая жидкость».
Как ведут себя типичные магнитные состояния
В изолирующих материалах, таких как CeMgAl11O19, магнитные ионы, например церий, могут находиться в одном из двух магнитных состояний: ферромагнитном или антиферромагнитном. Как правило, если ион находится в ферромагнитном состоянии, он влияет на соседние ионы, заставляя их тоже переходить в это состояние, в результате чего все ионы в структуре выстраиваются в ферромагнитном порядке. Аналогичным образом, если материал находится в антиферромагнитном состоянии, это приводит к выстраиванию ионов в антиферромагнитные цепочки. Такое магнитное упорядочивание можно наблюдать, когда исследователи охлаждают материал почти до абсолютного нуля.
При таких низких температурах неквантовые материалы, в которых ионы находятся в одном состоянии, переходят в низкоэнергетическую конфигурацию. Поскольку все ионы в таких материалах находятся либо в ферромагнитном, либо в антиферромагнитном состоянии, исследователи будут наблюдать только одну низкоэнергетическую конфигурацию. Поведение квантовой спиновой жидкости при температуре, близкой к абсолютному нулю, отличается от обычного. Квантовые материалы переходят в различные низкоэнергетические состояния и обратно под действием квантовой механики. В результате исследователи наблюдают континуум различных состояний, а не одно. Переходы также приводят к отсутствию магнитного упорядочения, то есть будут наблюдаться как ферромагнитные, так и антиферромагнитные состояния, а не одно из них, как в обычных магнитоупорядоченных материалах.
Почему этот материал вводил исследователей в заблуждение
CeMgAl11O19 демонстрирует как отсутствие магнитного упорядочения, так и континуум различных состояний. Однако тщательный анализ континуума состояний показывает, что он возникает не из-за квантовой спиновой жидкости, а из-за вырождения состояний в результате конкуренции ферромагнитных и антиферромагнитных взаимодействий.
Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса
«Нас заинтересовал этот материал, обладающий рядом характеристик, которых мы раньше не встречали, — говорит Тонг Чен, один из первых авторов исследования и научный сотрудник Университета Райса. — Это не была квантовая спиновая жидкость, но мы наблюдали поведение, которое, как нам казалось, было характерно для квантовых спиновых жидкостей».
Исследователи пришли к ответу, подвергнув материал бомбардировке нейтронами и проведя ряд тщательных измерений. В CeMgAl11O19 граница между ферромагнитным и антиферромагнитным состояниями была менее выраженной, чем в большинстве других материалов. Магнитные ионы, которые могли свободно переходить из одного состояния в другое, не выстраивались в единую упорядоченную структуру. Вместо этого в одной и той же структуре одни ионы были ферромагнитными, а другие — антиферромагнитными, что приводило к отсутствию магнитного упорядочения. Такое отсутствие упорядочения открывало доступ к большему количеству возможных низкоэнергетических состояний. Когда температура материала приближалась к абсолютному нулю, он мог выбирать из нескольких низкоэнергетических состояний, что приводило к смешению наблюдаемых состояний, напоминающему континуум различных состояний, наблюдаемый в квантовых спиновых жидкостях. Однако, поскольку материал не находился в состоянии квантовой спиновой жидкости, после перехода в низкоэнергетическое состояние он не мог перейти в другое состояние.
«Уникальная способность материала «выбирать» между различными низкоэнергетическими состояниями привела к получению данных, очень похожих на данные о квантовом спиновом жидком состоянии, — говорит Дай, автор исследования. — Это новое состояние материи, которое, насколько нам известно, мы описали первыми».
Этот уникальный материал, добавил Дай, служит хорошим напоминанием о том, как много мы еще не знаем о квантовом мире. «Он подчеркивает важность тщательного наблюдения и изучения данных».
Сведения о публикации
Бин Гао и др. «Континуум спиновых возбуждений в вырожденных состояниях смешанной ферро-антиферромагнитной обменной системы CeMgAl11O19», Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aed7778. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed7778
Информация о журнале: Science Advances