Квантовые спиновые жидкости относятся к числу наиболее необычных состояний квантовой материи, поскольку в них магнитные моменты электронов не выстраиваются в упорядоченную структуру даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Вместо этого спины остаются в состоянии непрерывных квантовых флуктуаций, образуя сильно запутанную систему, в которой свойства отдельных частиц неотделимы от коллективного поведения всей системы. Такое состояние долгое время существовало преимущественно в виде теоретической концепции, поскольку его экспериментальное подтверждение в реальных материалах чрезвычайно сложно.
Недавнее исследование, выполненное учёными из SLAC National Accelerator Laboratory и Stanford University, приблизило физику конденсированного состояния к решению этой задачи. Используя современные экспериментальные и вычислительные методы, исследователи получили убедительные доказательства существования квантового спинового жидкого основного состояния в магнитных материалах с решёткой кагоме — двумерной геометрией, состоящей из взаимосвязанных треугольников, которая усиливает квантовую фрустрацию и препятствует классическому магнитному упорядочению. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Physics.
Ключевыми объектами исследования стали монокристаллические образцы кагоме-магнитов со спином 1/2, включая гербертсмитит и цинк-барлоуит. Эти материалы давно рассматриваются как перспективные кандидаты в квантовые спиновые жидкости, однако ранее оставался открытым вопрос, является ли наблюдаемое экзотическое поведение универсальным свойством кагоме-систем или особенностью отдельных соединений. Создание высококачественных монокристаллов позволило перейти от косвенных признаков к детальному микроскопическому анализу спиновых корреляций.
Исследователи охладили образцы до сверхнизких температур и применили метод высокоразрешающего неупругого рассеяния нейтронов, который даёт прямой доступ к пространственно-временной структуре спиновых флуктуаций. Нейтроны, глубоко проникая в материал, взаимодействуют со спиновыми моментами электронов в слоях кагоме, позволяя измерять как корреляции направлений спинов в пространстве, так и их динамику во времени. Полученные спектры возбуждений были сопоставлены с теоретическими расчётами, выполненными с использованием метода перенормировочной группы матрицы плотности, одного из наиболее точных численных подходов для квантовых спиновых систем.
Результаты показали, что фундаментальные магнитные возбуждения в этих материалах проявляются не в виде обычных магнонов, характерных для упорядоченных магнитов, а в форме спинонов — фракционированных квазичастиц, несущих долю спина электрона. Наблюдение континуума таких возбуждений считается одним из ключевых признаков квантовой спиновой жидкости. Существенно, что аналогичные спектральные особенности были обнаружены как в гербертсмитите, так и в цинк-барлоуите, что указывает на универсальный характер данного квантового состояния для материалов типа кагоме.
Совокупность данных позволяет сделать вывод о существовании общего квантового спинового жидкого основного состояния, проявляющегося в разных химических соединениях с одной и той же геометрией решётки. Это приближает исследователей к давней цели физики конденсированного состояния — экспериментальному подтверждению по крайней мере одного реального материала или семейства материалов, для которых свойства квантовой спиновой жидкости согласуются с точными теоретическими предсказаниями на микроскопическом уровне. В данном случае совпадение экспериментальных спиновых корреляций с расчётами для конкретного основного состояния служит весомым аргументом в пользу такого консенсуса.
Значимость этих результатов выходит за рамки фундаментальной физики. Квантовые спиновые жидкости привлекают внимание как потенциальная платформа для будущих квантовых технологий благодаря своей дальнодействующей квантовой запутанности и устойчивости к локальным возмущениям. В перспективе такие свойства могут быть использованы в квантовых вычислениях, хранении квантовой информации и создании новых типов топологически защищённых состояний. При этом исследование подчёркивает, что прежде чем говорить о прикладных возможностях, необходимо глубокое понимание базовых физических механизмов и разработка новых методов косвенной и, в будущем, более прямой диагностики квантовой запутанности в реальных материалах.
Таким образом, работа демонстрирует, что экзотические квантовые состояния, ранее считавшиеся почти недостижимыми в эксперименте, действительно реализуются в природе. Материалы с решёткой кагоме становятся важной экспериментальной платформой для изучения коллективных квантовых эффектов, а подтверждение универсального квантового спинового жидкого состояния открывает новые горизонты как для фундаментальной науки, так и для долгосрочного развития квантовых технологий.