Найдено подтверждение экзотического состояния материи

МОСКВА, 6 окт — РИА Новости. Физики из США и Германии доказали существование квантовой спиновой жидкости — состояния вещества, перспективного для создания кубитов квантовых компьютеров. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Теория спиновых жидкостей была сформулирована еще в 1973 году, однако до сих пор ученые не нашли ни одного вещества, способного его образовывать. Но физики продолжают поиски, потому что считают, что это экзотическое состояние материи поможет создать квантовые компьютеры будущего.

Ученые из Национальной лаборатории сильного магнитного поля Университета штата Флорида вместе с немецкими коллегами из Института химической физики твердого тела Макса Планка в Дрездене впервые доказали, что таким состоянием может обладать трихлорид рутения. Исследователи обнаружили, что при высоких температурах и сильных магнитных полях спины электронов, взаимодействуя в этом материале, эффективно понижают общую энергию.

"Наше исследование убедительно подтверждает, что трихлорид рутения обладает свойствами спиновой жидкости. Это позволяет по-новому взглянуть на этот материал и демонстрирует перспективную возможность поиска новых спиновых жидкостей", — приводятся в пресс-релизе Университета штата Флорида слова первого автора статьи Кима Модича (Kim Modic), физика, который проводил эксперимент на установке импульсного поля MagLab в Национальной лаборатории сильного магнитного поля — крупнейшей в мире магнитной лаборатории с высокой мощностью.

Электрон можно представить как волчок, вращающийся вокруг своей оси в каком-то направлении. На протяжении десятилетий физики всесторонне изучали свойство вращения электронов, называемое спином, и пытались использовать его в новых технологиях. В магнитных материалах спины выровнены друг с другом в одном или противоположных направлениях.

Но такое поведение, называемое магнитным упорядочением, может быть подавлено температурой или магнитным полем. Теория предполагает, что как только магнитный порядок будет подавлен, возникнет более экзотическое состояние вещества — квантовая спиновая жидкость.

В поисках спиновой жидкости исследователи остановились на трихлориде рутения. Этот материал имеет ячеистую структуру, как у графена. Но в отличие от углеродного материала, в трихлориде рутения спины электронов направлены в одну сторону, благодаря чему он обладает магнитными свойствами.

"Рутений намного тяжелее углерода, что приводит к сильному взаимодействию между спинами", — говорит руководитель исследования Аркадий Шехтер (Arkady Shekhter).

Авторы предположили, что из-за этого эффекта увеличится магнитное разупорядочение в материале и он не будет иметь магнитных свойств — два электрона с разными спинами объединятся в пару, а третий электрон, который находится с ними в группе, остается в "подвешенном" состоянии и это приведет к образованию спиновой жидкости. Результаты эксперимента подтвердили их гипотезу.

"Похоже, что при низких температурах и под воздействием магнитного поля трихлорид рутения проявляет признаки того поведения, которое мы ищем, — отмечает Модич. — Спины не просто выравниваются в соответствии с ориентировкой соседних спинов, но, скорее, становятся динамичными, как вращающиеся молекулы воды, при сохранении некоторой корреляции между ними".

Открытие стало возможным благодаря новой методике эксперимента, разработанной учеными, называемой резонансной торсионной магнитометрией, которая позволяет точно измерить электронные спины в сильных магнитных полях.

"Прелесть нашего подхода в том, что это относительно простая установка, которая позволила нам проводить измерения как в резистивном магните мощностью 35 тесла, так и в магните импульсного поля мощностью 65 тесла", — объясняет ученый.

На следующем этапе авторы хотят провести эксперименты в поле с индукцией в 100 тесла, что, по их мнению, позволит уловить сам момент перехода трихлорида рутения в неуловимое экзотическое состояние.