Шредингер бы одобрил. Ученые нашли жидкость, которая на самом деле твердый кристалл

Учёные нашли новые убедительные следы одного из самых загадочных состояний вещества — квантовой спиновой жидкости — в точно выращенных кристаллах с необычной «кэгомэ»-решёткой. Изучая новый материал из этого семейства, физики увидели те же экзотические проявления, что и раньше в другом соединении, и это намекает: речь не о редкой аномалии конкретного образца, а о общем квантовом состоянии, характерном для целого класса подобных кристаллов.

В обычных магнитах спины электронов — условные «стрелки компаса» — стремятся выстроиться в упорядоченные структуры, и такие рисунки сравнительно легко обнаружить экспериментально. Квантовая спиновая жидкость устроена иначе: даже при температурах, близких к абсолютному нулю, спины не «успокаиваются» и продолжают хаотично колебаться. При этом поведение системы определяется квантовой запутанностью — связью между частицами, из-за которой их состояния остаются согласованными даже на расстоянии. Именно отсутствие привычного порядка и делает спиновые жидкости крайне сложными для однозначного доказательства: необычные сигналы можно списать на дефекты, примеси или особенности конкретного вещества.

Чтобы убрать этот аргумент, учёные из Стэнфорда решили проверить, насколько наблюдаемые эффекты универсальны. Ранее исследователи работали с кэгомэ-материалом гербертсмититом и зафиксировали в нём необычные магнитные возбуждения. Но оставался вопрос: это фундаментальный признак квантовой спиновой жидкости или «характер» одного единственного соединения?

В новой работе учёные синтезировали высококачественные монокристаллы другого кандидата — Zn-барловита. Получить такие «чистые» и хорошо упорядоченные образцы трудно, но без них невозможно провести точные измерения. Кристаллы охладили до сверхнизких температур, чтобы приблизиться к их основному, минимально энергетическому состоянию, а затем исследовали с помощью высокоточного неупругого рассеяния нейтронов. Нейтроны особенно удобны в таких экспериментах: они глубоко проникают внутрь кристалла и напрямую взаимодействуют со спинами электронов, позволяя увидеть, как спины связаны между собой в пространстве и как меняются во времени.

Результат оказался примечательным. Вместо «обычных» магнитных волн — магнонов — возбуждения в Zn-барловите распадались на более мелкие квазичастицы, спиноны. По словам Ли, их измерения показали, что фундаментальные возбуждения спинов в кэгомэ-решётке проявляются именно как спиноны — дроблёные «осколки» типичных магнонных возбуждений. Такое «дробление» связывают с сильно запутанными квантовыми системами, и для исследователей важнее всего было другое: картина спинонов в Zn-барловите почти повторила то, что команда ранее наблюдала в гербертсмитите.

Иными словами, два разных материала из родственного семейства ведут себя так, словно в их основе лежит одно и то же квантовое состояние — спиновая жидкость. Это усиливает позицию сторонников идеи, что квантовые спиновые жидкости не единичная редкость, а устойчивый тип квантовой материи, который может проявляться сразу в нескольких кэгомэ-кристаллах и согласуется с теоретическими ожиданиями.

В перспективе такие состояния интересны не только фундаментальной физике. Спиновые жидкости, как считают учёные, естественным образом несут в себе дальнодействующую квантовую запутанность — важный «ингредиент» для будущих квантовых вычислений и защищённого хранения информации. Но до прикладных сценариев ещё далеко: одна из ключевых проблем в том, что у исследователей до сих пор нет прямых инструментов, которые позволяли бы измерять саму запутанность внутри твёрдых материалов. Авторы надеются, что дальнейшие работы помогут приблизиться к этой цели.