Учёные впервые обнаружили трехмерную спиновую жидкость.

Новости МирТесен

Ученые впервые продемонстрировали, что монокристаллы пирохлора, содержащие цезий и цирконий, обладают характеристиками трехмерной спиновой жидкости.

Спиновая жидкость представляет собой магнитное состояние вещества. Вопреки своему названию, это твердый материал, в котором необычное квантовомеханическое явление — запутанность — приводит к тому, что магнитное состояние проявляется как жидкое. Теоретическое предсказание спиновой жидкости было сделано еще в 1973 году, однако вещество с таким состоянием было впервые обнаружено только в 2012 году.

Новая работа рассказывает об обнаружении первой трехмерной спиновой жидкости. Считается, что спиновые жидкости встречаются в твердых материалах, которые состоят из магнитных атомов, в частности внутри кристаллической решетки.

Спин — присущее электронам свойство, являющееся причиной возникновения магнетизма. Это внутренний момент вращения электрона, который может принимать только два противоположных направления. В обычных материалах спины электронов ориентированы хаотично, подобно перемешанной колоде карт, однако в магнитах они выстраиваются в определенном порядке, определяя их физические характеристики.

В спиновой жидкости спины электронов остаются неупорядоченными независимо от температуры. Кроме того, эти спины оказываются взаимосвязанными. Это означает, что ориентация спина одного электрона связана с ориентацией другого, вне зависимости от расстояния между ними. Именно эта квантовая взаимосвязанность определяет уникальные характеристики подобных состояний.

Ученые из Университета Райса впервые синтезировали трехмерную спиновую жидкость — материал, характеризующийся запутанностью спинов во всех направлениях пространства. В качестве основы для создания такой жидкости оказался природный минерал пирохлор, состав которого был изменен путем замены атомов кальция и ниобия на цезий и цирконий. Однако для подтверждения своих гипотез исследователям потребовалось приложить значительные усилия.

Для подтверждения этого исследователи представили ряд аргументов. Результаты экспериментов по неупругому рассеянию нейтронов выявили наличие пространства спинового возбуждения, что может свидетельствовать о квантовой спиновой жидкости. Анализ дифракции электронов показал отсутствие вакансий кислорода или других известных дефектов в образце. Кроме того, детальная рентгенография продемонстрировала отсутствие беспорядочного расположения атомов. Несколько других методов анализа также подтвердили, что изучаемый материал обладает свойствами квантовой жидкости.