Учёные экспериментально доказали существование спиновой жидкости

   Группа учёных из Массачусетского технологического института на примере минерала гербертсмитита впервые получила доказательства существования состояния, известного как спиновая жидкость (Quantum Spin Liquid – QSL). Данный эффект, предсказанный Филиппом Андерсоном в 1973 году, в этом месяце впервые получил экспериментальное подтверждение благодаря усилиями профессора Юн Ли (Young Lee) и его коллег.

Минерал гербертсмитит.

   Эксперимент начался с выращивания на протяжении нескольких лет небольших образцов кристаллов гербертсмитита высочайшей степени чистоты. В дальнейшем для наглядной демонстрации эффекта спиновой жидкости использовалось явление нейтронного рассеяния. Работа проводилась на базе Центра нейтронных исследований при Национальном институте стандартов (NIST) с использованием Многоосевого кристалл-дефракционного спектрометра (Multi-Axis Crystal Spectrometer – MACS) и включала в себя бомбардировку пучками нейтронов образцов минерала с последующим замером энергии нейтронов рассеяния. Убедительные доказательства, связанные с открытием спиновой жидкости, были получены после того, как исследователи зафиксировали значительное расхождение в замерах энергии в противоположность однородной схеме распределения энергии, присущей большинству магнитных материалов.

   Спиновую жидкость, одно из магнитных состояний вещества наряду с ферромагнетизмом и антиферромагнетизмом, называют «жидкостью» вследствие неупорядоченности направления магнитных моментов соседних частиц вещества (аналогично воде по отношению к кристаллическому льду), несмотря на принадлежность к классу твёрдых веществ – кристаллов. Атомы в составе гербертсмитита образуют так называемую решётку кагоме, состоящую из пересекающихся особым образом треугольников. Атомы меди в составе этого минерала образуют вершины треугольников, взаимодействия друг с другом аналогично тому, как это происходит в случае с ферромагнетиками, однако в случае со спиновой жидкостью момент импульса вещества в третьей вершине треугольника не может скорректироваться в соответствии с магнитным моментом вещества в двух других вершинах треугольника.

Представленное схематичное изображение явления нейтронного рассеяния (neutron scattering) демонстрирует наличие эффектов магнетизма в кристаллах гербертсмитита. Области, отмеченные зелёным цветом, свидетельствуют о более высокой степени рассеяния нейтронов вследствие неупорядоченного направления магнитных моментов соседних частиц вещества. Материалы с упорядоченной структурой, определяющей направление магнитных моментов вещества, характеризуются наличием лишь небольших областей зелёного цвета, тогда как материалы без соответствующей упорядоченной структуры обычно имеют однородное цветовое свечение. Цветовое представление по объёму свидетельствует об упорядоченности направления магнитных моментов либо отсутствия таковой (последнее характерно для спиновой жидкости).

   Уникальное свойство спиновой жидкости заключается в способности сохранять неупорядоченность направления магнитных моментов соседних частиц вещества даже при очень низких температурах. Мы находимся на первоначальном этапе фундаментальных исследований в этой области. поэтому практическая реализация данной технологии займёт определённое время. В частности, в будущем возможно использование эффекта спиновой жидкости в накопителях и квантовых компьютерах .