Физики открыли новую разновидность квантовой спиновой жидкости, в основе которой лежит ранее предсказанное экзотическое состояние квантового спинового льда из октупольных магнитных моментов. Открытие сделано в соединении Ce2Sn2O7 со структурой минерала пирохлора, статья опубликована в журнале Nature Physics.
Самое распространенное состояние магнитных веществ, особенно при низких температурах, — это магнитное упорядочение. При магнитном упорядочении все спины в веществе направлены в строго определенных направлениях и им очень сложно это направление поменять. Это происходит из-за того, что они жестко связаны между собой обменным взаимодействием, которое заставляет соседние спины выстраиваться по отношению друг к другу под определенным углом. Рисунок спинов в упорядоченных веществах может быть как простым (все спины в одном направлении), так и сложным (например, спираль). Но все эти рисунки объединяет то, что они периодичны. Поэтому магнитное упорядочение также называют дальним магнитным порядком, так как он определяет взаимное направление спинов во всем веществе. Магнитному упорядочению обязаны свойствами, например, ферромагнетики, которые известны своей способностью прилипать к железу и друг к другу.
Гораздо более редким состоянием является квантовая спиновая жидкость. В такой жидкости (по своему агрегатному состоянию вещество остается вполне себе твердым) при сверхнизкой температуре не наблюдается магнитного упорядочения, но формируется коллективное запутанное состояние спинов. Отсутствие магнитного упорядочения означает, что спины оказываются не закреплены даже при самых низких температурах — они все еще могут переворачиваться или поворачиваться. Но, так как спины связаны между собой сильным обменным взаимодействием, все их движения согласованы даже на больших расстояниях и представляют собой единую подвижную квантовую систему. Эту связность (запутанность) можно использовать, например, для построения защищенного от ошибок квантового компьютера. Подробнее о спиновых жидкостях и квантовых компьютерах можно прочесть в наших материалах Квантовой азбуки: «Спиновая жидкость» и «Квантовый компьютер».
Существуют и другие необычные неупорядоченные магнитные состояния. Например, спиновый лед, в котором спины оказываются «заморожены» в каком-то конкретном, но хаотическом состоянии, без дальнего порядка. Однако это состояние кажется хаотическим только на первый взгляд. При ближайшем рассмотрении оказывается, что соседние спины в таком веществе расположены по определенному правилу, то есть существует ближний магнитный порядок. Для некоторых веществ, например, со структурой минерала пирохлора, эти правила аналогичны поведению молекул воды в кристаллах обычного льда.
1. В кристаллах обычного аморфного льда рядом с каждым кислородом (красным) находится ровно два водорода (синим), которые случайным образом указывают на двух из четырех ближайших соседей кислорода. 2. «Спиновый» аналог льда. В тетраэдре два магнитных момента (это магнитные диполи, создаваемые спинами, обозначены как магниты с южным и северным полюсом) направлены внутрь, а два других – наружу. 3. Правила расположения октупольных магнитных моментов в квантовом спиновом льде из новой работы.
Свойства классического спинового льда не позволяют применять их для квантовых вычислений. Проблема в том, что перевернуть отдельно взятый спин и поменять состояние системы оказывается невозможно — это запрещено теми самыми «ледовыми правилами» для ближнего порядка. Поэтому при низких температурах система намертво «замораживается» в каком-то конкретном состоянии, каждый раз разном, и управляемо перевести ее из одного в другое сложно.
Однако в некоторых веществах может реализовываться не обычный, а так называемый квантовый спиновый лед, в котором «прыжки» между различными «замороженными» состояниями становятся возможны за счет эффектов квантового туннелирования. Такое состояние может оказаться очень похоже на квантовую спиновую жидкость или даже неотличимо от нее — нет дальнего порядка, но есть ближний, дальнодействующие спиновые корреляции, запутанная квантовая система, может переходить из одного квантового состояния в другое. И такой материал уже может найти применение в квантовых вычислениях.
Ромейн Сибилле (Romain Sibille) вместе с коллегами обнаружил новое вещество Ce2Sn2O7 со структурой пирохлора и подтвердил его принадлежность к классу квантового спинового льда. В процессе поиска физики воспользовались тем фактом, что редкоземельные элементы, например, церий, могут создавать более сложные магнитные моменты (не дипольные, а более высокого порядка), и предсказаниями теоретиков о том, что для таких моментов «ледовые правила» предсказывают формирование квантового спинового льда. Ученым впервые удалось реализовать эти предсказания теоретиков на практике и показать, что состояние квантового спинового льда может быть реализовано для магнитных моментов восьмого порядка, то есть для октуполей.
Для того, чтобы доказать, что в Ce2Sn2O7 действительно реализуется экзотическое квантовое состояние, авторам пришлось задействовать целый набор самых современных методов экспериментальной физики и теоретического моделирования. Они использовали методы нейтронографии и мюонной спектроскопии, измерения магнитной восприимчивости и теплоемкости при сверхнизких температурах, расчеты из первых принципов и другие сопутствующие методики.
В результате ученым удалось подтвердить, что за реализацию квантового спинового льда в Ce2Sn2O7 ответственно сочетание диплольного и октупольного ближнего магнитного порядка. Таким образом, это соединение является первым примером новой экзотической разновидности квантовой спиновой жидкости, в основе который лежит состояние квантового спинового льда из мультипольных магнитных моментов. В ходе экспериментов авторы также нашли возможные способы управления такой квантовой спиновой жидкостью — с помощью магнитных полей или температуры — что открывает перспективы для их применения.
Современная физика конденсированного состояния открывает множество новых состояний, которые не описываются в привычных моделях. Про другие экзотические квантовые состояния вещества писали два года назад. Ученые пронаблюдали моттовский переход из металл-диэлектрик в веществе, которое при очень низкой температуре является спиновой жидкостью.
Екатерина Козлякова, Артем Моськин