Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж сделали важный шаг на пути к созданию экзотического состояния вещества, известного как квантовая спиновая жидкость. Они разработали и детально изучили новый магнитный материал, который вплотную приближает науку к управлению этим загадочным явлением. В отличие от привычных магнитов, чьи микроскопические моменты упорядочиваются на холоде, в спиновой жидкости царит квантовый беспорядок даже при экстремально низких температурах.
Исследователи сосредоточили свое внимание на сложном соединении — арсенате калия-кобальта. В нем атомы кобальта выстраиваются в особую двумерную структуру, напоминающую пчелиные соты, что идеально подходит для экспериментов. Получить такой материал было непросто, так как он разрушается при сильном нагреве. Ученые решили эту проблему, выращивая кристаллы методом медленного нагрева специального раствора.
Последующие тесты подтвердили правильность структуры и состава полученного вещества. Измерения показали, что при охлаждении ниже -259 °C спины кобальта все же застывают в упорядоченном состоянии, не превращаясь в полноценную жидкость. Однако эксперименты с рассеянием нейтронов и компьютерное моделирование выявили ключевую деталь: в материале присутствуют слабые экзотические взаимодействия, предсказанные моделью физика Алексея Китаева.
Хотя эти силы оказались недостаточно мощными, чтобы победить обычный магнетизм, их наличие имеет огромное значение. Материал находится вблизи критической точки, и расчеты показывают, что небольшое изменение состава или внешнее воздействие (например, давление) могут переломить баланс сил. Это открывает реальную возможность для инженерного создания спиновой жидкости в будущем.
Потенциал открытия трудно переоценить. Квантовые спиновые жидкости считаются идеальной средой для возникновения майорановских фермионов — частиц, которые могут стать надежными строительными блоками для квантовых компьютеров и сверхчувствительных сенсоров. Результаты этой прорывной работы были опубликованы в научном журнале Inorganic Chemistry.