Учёные обнаружили, что монокристаллы пирохлора с добавками цезия и циркония обладают характеристиками трёхмерной спиновой жидкости.
Спиновая жидкость представляет собой магнитное состояние вещества. Несмотря на название, это твердый материал, где свойство квантовой механики — запутанность — создаёт жидкое магнитное состояние. Теоретически предсказанная в 1973 году, спиновая жидкость была обнаружена у первого вещества лишь в 2012 году.
Новая работа рассказываетОбнаружена первая трехмерная спиновая жидкость. Спиновые жидкости предположительно существуют в твердых веществах, состоящих из магнитных атомов, например, внутри кристаллической структуры.
Электроны обладают свойством спином — собственным моментом вращения, который может быть направлен лишь двумя способами. Спин является причиной магнетизма. В большинстве материалов спины расположены хаотично, но в магнитах они упорядочены и определяют их свойства.
В спиновой жидкости при любой температуре спины электронов остаются неупорядоченными. Все электроны оказываются связанными друг с другом: направление спина одного электрона зависит от направления другого, независимо от расстояния между ними. Эта квантовая корреляция определяет необычные свойства таких состояний.
Ученые из Университета Райса впервые получили трехмерную спиновую жидкость — материал с запутанностью спинов во всех пространственных измерениях. Такой материал оказался в природном минерале пирохлоре, где атомы кальция и ниобия заменены цезием и цирконием. Для подтверждения своих предположений ученым пришлось приложить значительные усилия.
Чтобы подтвердить гипотезу, исследователи предоставили ряд доказательств. Эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов выявили наличие пространства спинового возбуждения, которое может указывать на квантовую спиновую жидкость. Исследования дифракции электронов показали отсутствие вакансий кислорода или других известных дефектов в образце. Рентгенография не обнаружила беспорядка в расположении атомов. Дополнительные методы анализа подтвердили, что исследуемый материал демонстрирует свойства квантовой жидкости.