Материал, смятан преди за квантов, всъщност е ново квантово състояние на материята

Ваня Милева Последна промяна на 09 March 2026 в 09:56 9805 0

Кристална структура, показваща Ce3 + йони, образуващи триъгълни решетъчни равнини, с подчертани CeO12 полиедри.

Кредит Bin Gao et al, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aed7778
Кристална структура, показваща Ce3 + йони, образуващи триъгълни решетъчни равнини, с подчертани CeO12 полиедри.

Магнитните материали в квантова спинова течна фаза представляват голям интерес в изследванията на екзотични състояния на материята и квантовите изчисления. Но в квантовата сфера нещата не винаги са такива, каквито изглеждат. Проучване, публикувано в Science Advances, установява, че материалът цериев магнезиев хексалуминат (CeMgAl11O19) всъщност не е в квантова спинова течна фаза, въпреки доказателствата, които сочат, че е така.

"Материалът е бил класифициран като квантова спинова течност поради две свойства: наблюдение на континуум от състояния и липса на магнитно подреждане", обяснява Бин Гао (Bin Gao), съавтор на изследването и научен сътрудник в Райс. "Но по-внимателното наблюдение на материала показа, че основната причина за тези наблюдения не е квантова спинова течна фаза."

Как се държат типичните магнитни състояния

Йоните на изолационни материали като CeMgAl11O19, подобно на церия, може да приемат едно от две магнитни състояния: феромагнитно или антиферомагнитно. Обикновено, след като един йон е във феромагнитно състояние, той ще повлияе на близките йони също да влязат в това състояние, което ще доведе до подреждане на всички йони в структурата във феромагнитно състояние.

По подобен начин, ако е в антиферомагнитно състояние, това ще доведе до подреждане на йони в антиферомагнитни състояния. Това магнитно подреждане може да се наблюдава, когато изследователите понижат температурата на материала до почти абсолютна нула.

При тези ниски температури, неквантовите материали, чиито йони са подредени в едно състояние, ще се установят в нискоенергийна конфигурация. Тъй като йоните на материалите ще бъдат или във феромагнитно, или в антиферомагнитно състояние, изследователите ще видят само една нискоенергийна конфигурация.

За квантова спинова течност, поведението при близки до абсолютната нула стойности е различно. Квантовите материали преминават към и от различни нискоенергийни състояния чрез квантова механика. Заради това изследователите наблюдават континуум от различни състояния, вместо само едно.

Преходите също така водят до липса на магнитно подреждане, което означава, че ще се наблюдават както феромагнитни, така и антиферомагнитни състояния, а не само едното или другото, както е при конвенционалните магнитно подредени материали.

Спинова течност и магнитни състояния

Спиновата течност е много рядко магнитно състояние на материята; известни са само няколко примера за такива материали. Спиновата течност е много рядко магнитно състояние на материята - известни са само няколко примера за такива материали.

Какво представляват спиновете?

Всички твърди тела са изградени от атоми - ядра и електрони. В много вещества електроните са локализирани, тоест всеки електрон е разположен до своя атом. Тези вещества са изолатори. Но въпреки това електроните в тях имат допълнителна квантова степен на свобода - спин. Обикновено може да изглежда 'нагоре' или 'надолу', има стойност от -1/2 и +1/2. Освен тези две основни състояния съществува и суперпозиция (припокриване), която може да се опише така, сякаш спинът гледа и в някаква друга посока. Ако веществото е с висока температура, тогава спиновете на различните атоми сочат в различни посоки. Но те взаимодействат помежду си и затова се обръщат много бързо.

При ниски температури, в вещества с локализирани електрони, посоките на спиновете обикновено са подредени. Това се дължи на факта, че спиновете взаимодействат помежду си и "искат" да намалят енергията на взаимодействието. В зависимост от това как е подредена кристалната решетка и това взаимодействие между спиновете, могат да възникнат различни видове подреждане.

Подреждане на спиновете във феромагнити

Да кажем, че ако всички спинове сочат в една и съща посока, тогава получаваме феромагнит. Може да се намагнетизира дори при липса на магнитно поле. Ако гърбовете се редуват - гледайки нагоре и надолу - получаваме антиферомагнит. Подреждането може да бъде още по-сложно: на триъгълна решетка 1/3 от завъртанията могат да бъдат обърнати в едната посока, 1/3 в другата и 1/3 в третата. Има спираловидни подредби и много други възможности.

И ако температурата е достатъчно висока, тогава спиновете не могат да бъдат подредени?

Ако температурата е по-голяма от енергията на взаимодействие между спиновете, тогава в първото приближение те изглеждат в произволна посока.

Подреждане на спиновете в антиферомагнетици

Можем да кажем, че ситуацията, когато спиновете са подредени, е аналогична на твърдо тяло. Така че, при висока температура, молекулите на течност или газ се движат произволно, а при ниска температура те се подреждат в кристал. Материал с висока температура и без подреждане на спиновете, иначе се нарича парамагнит, той е аналог на газ, а материал при ниска температура, с подредени спинове, е аналог на твърдо вещество.

Какво е спинова течност?

Спиновата течност обикновено съответства на състоянието на тялото при ниска температура, тоест когато температурата е много по-ниска от енергията на взаимодействие. Но за разлика от повечето материали, спиновата течност не се подреждат дори при свръхниски температури. Вместо това те образуват колективно вплетени състояния. Това е квантов феномен.

Защо този материал заблуди изследователите

CeMgAl11O19 се представя както с липса на магнитно подреждане, така и с континуум от различни състояния. Но внимателният анализ на континуума от състояния показва, че той не възниква от квантова спинова течност, а от дегенерация на състоянията от конкуренцията на феромагнитни и антиферомагнитни взаимодействия.

"Интересувахме се от този материал, който притежаваше набор от характеристики, които не бяхме виждали преди", разказва Тун Чън (Tong Chen), съавтор на изследването и научен сътрудник в Университета Райс. "Това не бе квантова спинова течност, но наблюдавахме това, което смятахме за поведение, свързано с квантовата спинова течност."

Чрез бомбардиране на материала с неутрони и извършване на други внимателни измервания, изследователите стигат до отговора. В CeMgAl11O19 границата между феромагнитното и антиферомагнитното състояние е по-слаба, отколкото в повечето материали.

Магнитните йони, с по-голяма гъвкавост да преминават между двете състояния, не се подреждат в едно подредено състояние – вместо това, в една и съща структура, някои са феромагнитни, а други – антиферомагнитни, което води до липса на магнитно подреждане. Тази липса на подреждане отваря по-голям набор от възможни нискоенергийни състояния.

Тъй като материалът е бил доведен до почти абсолютна нула, той може да избира от редица различни нискоенергийни състояния, което довежда до смесица от наблюдаеми състояния, наподобяващи континуума от различни състояния, откривани в квантовите спинови течности. Тъй като обаче материалът не е квантова спинова течност, след като влиза в нискоенергийно състояние, той не може да премине в друго състояние.

"Заради уникалната способност на материала да "избира" между различни нискоенергийни състояния се наблюдават данни, много подобни на тези в квантово спиново течно състояние", обяснява професор Пънчън Дай (Pengcheng Dai) от Университета Райс, ръководител на това изследване. "Това е ново състояние на материята, а доколкото ни е известно, ние сме първите, които го описваме."

Този уникален материал, добавя Дай, е добро напомняне за това колко много не знаем за квантовата сфера. "Той подчертава важността на внимателното наблюдение и задълбоченото проучване на данните."

Справка: Bin Gao et al, Spin Excitation Continuum from Degenerate States in the Mixed Ferro-Antiferromagnetic Exchange System CeMgAl11O19, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aed7778. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed7778

Източник: Material previously thought to be quantum is actually a new, non-quantum state of matter, Rice University

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !