Команда исследователей из Бирмингемского университета сделала весьма примечательное открытие для будущего квантовых вычислений. Этим ученым удалось разработать материал на основе рутения, отвечающий требованиям загадочного и высоко теоретизируемого состояния: квантовой спиновой жидкости российского ученого Китаева, в 90-х годах начавшего работать в Калифорнийском технологическом институте. Это вещество действует в соответствии с принципами квантовой спиновой жидкости, открывая значительные перспективы для будущих квантовых технологий.
По заключению ученых, изучение этих материалов может революционизировать подход к магнитным свойствам и ускорить разработку новых приложений в квантовой области. Этот прорыв вполне может изменить то, как понимаются магнитные взаимодействия в квантовом масштабе.
Как известно, магнитные материалы состоят из простых магнитных блоков на кристаллической решетке, которые взаимодействуют посредством магнитного обмена. Однако из этой простоты вытекает разнообразие магнитных состояний. Некоторые из них раскрывают глубокие квантово-механические истоки магнетизма, например, состояния квантовой спиновой жидкости (QSL), в которых магнитные моменты остаются неупорядоченными при низких температурах, несмотря на сильную корреляцию из-за квантовой запутанности.
Команда Бирмингемского университета преодолела значительные трудности при разработке нового материала. Используя металлический элемент рутений, они расположили атомы в специальной открытой структуре. Эта конкретная конфигурация препятствует стабилизации электронов в упорядоченном состоянии, вместо этого способствуя неупорядоченному состоянию, которое способствует характеристикам квантово-спиновых жидкостей. Эта открытая структура имеет решающее значение для поддержания сложной и колебательной динамики электронных спинов.
Опубликованное в журнале Nature Communications исследование, проведенное учеными из Бирмингемского университета, признается как важный шаг на пути к созданию и контролю квантовых материалов с новыми востребованными свойствами, которые не подчиняются классическим законам физики. Важно отметить, что эти материалы обеспечивают магнитные свойства, которые отличаются от обычных "ферромагнетиков", расположенных вокруг двух полюсов. Квантовые спиновые жидкие материалы обладают магнитными свойствами, которые не проявляются подобным образом. Вместо упорядоченных характеристик ферромагнетиков, эти материалы неупорядочены, и электроны внутри них соединяются магнитным путем посредством процесса, называемого квантовой запутанностью.
Хотя квантовые спиновые жидкости существуют в теории и были смоделированы учеными, ранее не было возможности получить их экспериментально или найти в природе. Хотя существует ряд природных минералов меди и минеральных кристаллических систем, в которых, по мнению ученых, может существовать квантово-спиновое жидкое состояние, это не было доказано из-за дополнительных структурных сложностей, встречающихся в природе. Сложность квантовых спиновых жидкостей также создает трудности для теоретиков, поскольку в результате моделирования возникает множество конкурирующих магнитных взаимодействий, которые чрезвычайно трудно распутать, что вызывает разногласия среди физиков.
Используя специализированные приборы на британском нейтронно-мюонном источнике ISIS и алмазном источнике света, команда из Бирмингема смогла показать, что новый материал с открытой каркасной структурой может регулировать взаимодействие между ионами металлического рутения, обеспечивая новый подход к квантовому спиновому жидкому состоянию Китаева. При этом было показано, что магнитные взаимодействия, возникающие внутри этих более открытых структур, слабее, чем они могли бы быть в противном случае, что дает ученым больше возможностей для точной настройки их поведения.
Как указывают британские ученые, потенциал этого открытия открывает путь для исследования новых семейств материалов с еще не исследованными магнитными свойствами. Эти материалы могут сыграть ключевую роль в разработке передовых квантовых технологий, таких как квантовые вычисления и устройства хранения данных следующего поколения. Способность манипулировать такими сложными состояниями материи также может способствовать достижениям в таких разнообразных областях, как криптография, квантовые датчики и безопасная связь.