КСЖ открывают перспективные направления для развития квантовых вычислений и технологий передачи энергии без потерь. В этих системах магнитные моменты частиц, согласно теоретическим расчетам, не демонстрируют упорядоченности даже при охлаждении до абсолютного нуля.
Разработка теоретических основ процессов в конденсированных средах с квазикристаллическим порядком (КСЖ) была завершена достаточно давно, однако физикам до настоящего времени не удавалось непосредственно экспериментально подтвердить наличие ключевого компонента этого необычного состояния материи — эмерджентных фотонов.
Это не фотоны в классическом понимании, не квант электромагнитного излучения. Эмерджентные фотоны — квазичастица, представляющая собой общее возбуждение электромагнитной системы. Несмотря на то, что она демонстрирует поведение, схожее с фотоном, и успешно описывается существующими теориями, разработанными для фотонов, она таковой не является. Подтвердить существование эмерджентных фотонов препятствовали шумы, искажающие данные, и ограниченная чувствительность используемых исследовательских методов.
Исследовательская группа Университета Райса (США) использовала для эксперимента рассеяние поляризованных нейтронов, чтобы найти характерные признаки поведения квантовой спиновой жидкости. Выбранный учеными метод позволили отделить магнитное рассеяние от других сигналов при предельно низких температурах.
В ходе анализа данных ученые зафиксировали характерную черту, которая выделяет квантовый спиновый лед среди других магнитных состояний вещества: наличие сигналов эмерджентных фотонов с энергией, близкой к нулю. Полученные дополнительные измерения удельной теплоемкости подтвердили существование теоретически спрогнозированных эмерджентных фотонов рассеиваются так же, как звуковые волны.
В ходе того же исследования ученые получили подтверждение существования спинонов — квазичастиц, которые применяются для описания разделенных, «фракционализированных» спиновых возбуждений. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
Ранее подтвердить данное поведение затрудняли помехи и недостаток информации. Для проведения исследования физикам потребовалось изменить способы подготовки образцов и применять высокоточное оборудование. Исследование было осуществлено в сотрудничестве с передовыми лабораториями Европы и Северной Америки.
Впервые эмерджентные фотоны и спиноны — характерные признаки квантового спинового льда были обнаружены в трехмерном материале. Данное открытие положило конец многолетним дискуссиям в области физики конденсированного состояния и открывает перспективы для создания технологий будущего.
«Полученные неожиданные результаты стимулируют исследователей к более детальному изучению подобных уникальных материалов, что потенциально может пересмотреть существующие представления о магнетизме и поведении веществ в условиях экстремальных квантовых явлений», — отметил Бин Гао ( Bin Gao), ведущий автор исследования, научный сотрудник кафедры физики и астрономии Университета Райса, расположенного в США).