Учёные из Бирмингемского университета совершили прорыв в области квантовой физики, разработав новый путь к материалам со сложными неупорядоченными магнитными свойствами на квантовом уровне. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, описан материал на основе рутения, который удовлетворяет требованиям квантового спинового жидкого состояния Китаева — явления, которое учёные пытаются понять десятилетиями.
Квантовые спиновые жидкости обладают магнитными свойствами, которые не подчиняются классическим законам физики. В отличие от ферромагнетиков, таких как стержневые магниты, где электроны взаимодействуют друг с другом и указывают в одном направлении, электроны в квантовых спиновых жидкостях соединяются посредством процесса, называемого квантовой запутанностью. Хотя квантовые спиновые жидкости существуют в теории и были смоделированы, ранее не удавалось получить их экспериментально или обнаружить в природе.
Ведущий исследователь, доктор Люси Кларк, объясняет: «Эта работа является действительно важным шагом в понимании того, как мы можем проектировать новые материалы, которые позволят исследовать квантовые состояния материи. Она открывает большое семейство материалов, которые до сих пор были недостаточно изучены и которые могут дать важные подсказки о том, как мы можем проектировать новые магнитные свойства для использования в квантовых исследованиях».
Модель, созданная физиком-теоретиком Алексеем Китаевым в 2009 году, смогла продемонстрировать некоторые основополагающие принципы для квантовых спиновых жидкостей. Однако описанные магнитные взаимодействия требовали среды, которую учёные не могли создать экспериментально без возвращения материалов в традиционно упорядоченное магнитное состояние.
Используя приборы в британском источнике нейтронов и мюонов ISIS, группа из Бирмингема смогла показать, что новый материал с открытой структурой может иметь настраиваемые взаимодействия между ионами металлического рутения, открывая новый путь к квантовому спиновому жидкому состоянию Китаева. При этом, что магнитные взаимодействия, возникающие внутри этих более открытых структур, слабее, чем могли бы быть, что дает больше возможностей для точной настройки их поведения.
Хотя эта работа не привела к созданию идеального материала Китаева, она продемонстрировала мост между теорией в этой области и экспериментами и открыла новые плодотворные области для исследований. Это исследование представляет собой значительный прогресс в понимании и контроле квантовых материалов с востребованными новыми свойствами, которые не подчиняются классическим законам физики.