Наблюдавано е за първи път едно прогнозирано преди десетилетия екзотично магнитно състояние на веществото - спинова течност. Това откритие може да намери приложение в квантовите компютри и високотемпературната свръхпроводимост.

Изследването, направено от учени от Националната лаборатория Oak Ridge и Университета в Кеймбридж, водени от Йоханес Кноле (Johannes Knolle), е публикувано в списание Nature Materials.

Квантовата спинова течност - трето магнитно състояние

Към двете добре известни "класически" видове магнетизъм (феромагнетизъм и антиферомагнетизъм) през 1973 г. Филип Андерсън предсказва още едно - спинова течност. То се определя не от порядъка на магнитните моменти на атоми, йони или електрони, а е "течно" поведение на спиновете (собствени, несвързани с движение в пространството, моменти на импулсите на частиците).

Аналогията с течност е напълно условна и е свързана с особеностите на поведението на спиновете при много ниски температури.(вж Спин и изоспин. Спинът като степен на свобода)

В обикновен магнитен материал всеки отделен електрон се държи като малка магнитна пръчица. Когато веществото се охлади до достатъчно ниска температура, всички "магнитчета", например при феромагнитите се разполагат успоредно, а в антиферомагнитите - по двойки антипаралелно.

Но във вещество в състояние на спинова течност, дори да се изстуди до абсолютната нула, спиновете на елементарните частици ("магнитните пръчици") няма да се подредят. Ориентацията на спиновете на частиците ще се променят непрекъснато, "ще текат", без никога да спират съвсем, но образувайки теоретично фрактални магнитни модели.

Тази "течност" се описва с помощта на виртуални незаредени частици, наречени спинони, които се държат като течност. В някои случаи те могат да проявяват свойствата на фермиони на Майорана (всяка частица е античастица на самата себе си), на името на италианския физик Еторе Майорана, който първи прогнозира тяхното съществуване. 

Електроните се разпадат

Електроните в квантовото състояние спинова течност буквално се разпадат. Това създава странни модели, които е трудно да се предскажат.

Ние обикновено смятаме електрона за фундаментална частица, която е неделима на по-малки компоненти. Те са наистина такива в триизмерното пространство, но нещата стават доста по-странни, когато се поставят в две измерения. В това пространство квантовата механика позволява на електрона да се раздели на две, три или пет по-малки компонента, всяка от които притежава част от заряда. "Те са като мехурчета, които се образуват в квантовата течност." - пише Риа Мистра (Ria Misra) в Gizmodo.

Това видео показва как работят подобни процеси:

Фрактални модели в алфа рутениев хлорид

Сега Йоханес Кноле в съавторство с Дмитрий Коврижин от Националната лаборатория Oak Ridge наблюдават спинова течност в алфа рутениев хлорид (α-RuCl₃) с двумерна структура, подобна на графен.

Изследователите тестват магнитните свойства на α-RuCl₃ в прахообразна форма чрез осветяване с неутрони - метод на еластично разсейване на неутрони от атомите на кристалната решетка. Екипът след това наблюдава моделите, които се образуват на екран при разсейването на неутроните от прахообразната проба.

^{Структура на изследвания алфа рутениев хлорид. На фиг. (b) с различни цветове е показано подреждането на няколко слоя вещество, а с черни стрелки - зигзагообразната магнитна структура в един от слоевете.}

Един нормален магнит ще даде ясни контрастни линии на проекцията, когато се използва техниката на неутронно разсейване, но не бе известно на физиците какъв модел ще покажат фермионите на Майорана в квантовата спинова течност. През 2014 г. Кноле и екипът му прогнозират, че квантовите спинови течности ще произведат широки вълни вместо контрастни линии при експеримента на разсейване на неутрони. Последните открития съвпадат добре с тяхната теоретична прогноза. Наблюдавани са експериментални доказателства за фрактализация в α-RuCl₃ и прогнозираните широки вълни.

Този модел е наречен от Кноле "ново допълнение към късия списък на известните квантови състояния".

Приложенията

Интересът към спиновата течност е свързан с две перспективни направления. Първото е възможното използване на квазичастиците, които по същество са майоранови фермиони като кубити - елементарни клетки за будещите квантови компютри. Второто е Светият Граал - високотемпературната свръхпроводимост.

Източници:

New state of matter detected in a two-dimensional material - University of Cambridge

Researchers Discover Mysterious New Quantum State of Matter - Тhe Science Explorer

Researchers Just Discovered a New State of Matter - Gizmodo

Още по темата

13/03/2016

Физика

Кондензацията на Бозе-Айнщайн или петото състояние на материята

18/08/2015

Физика

Нов рекорд за високотемпературна свръхпроводимост

12/08/2015

Физика

Създаден е Бозе-Айнщайнов кондензат с фрактален енергиен спектър

19/07/2015

Физика

Призрачни частици без маса, създадени наскоро, могат да направят компютрите 3000 пъти по-мощни