В глубинах кристаллических структур, где атомы выстраиваются в упорядоченные ряды, ученые обнаружили нечто невероятное – трехмерную квантовую спиновую жидкость. Это открытие, сделанное международной командой исследователей, проливает свет на необычное поведение лангбейнитов, редких сульфатных минералов, и открывает новые горизонты для квантовой физики.
Магнитная фрустрация: рождение жидкой стихии
Ключ к этому феномену кроется в явлении, известном как магнитная фрустрация. Когда магнитные моменты атомов в кристаллической решетке не могут выровняться для достижения минимальной энергии, возникает внутреннее напряжение – фрустрация. В лангбейнитах, где ионы никеля образуют сложную трехмерную сеть, это напряжение достигает критической точки. Даже при приближении к абсолютному нулю температуры, спины вместо упорядочения продолжают беспорядочно колебаться, словно капли воды в жидкой стихии.
Квантовые спиновые жидкости: эликсир для квантовых технологий
Такое поведение приводит к появлению квантовой спиновой жидкости (QSL) – уникального состояния материи с удивительными свойствами. Представьте себе жидкость, где каждая молекула одновременно и частица, и волна, подчиняющаяся законам квантовой механики. QSL обладают топологической защищенностью, что делает их перспективными для создания стабильных кубитов – фундаментальных единиц информации в будущих квантовых компьютерах.
Хотя ранее QSL изучались преимущественно в двумерных системах, лангбейниты демонстрируют это явление в трехмерном пространстве, открывая новые возможности для исследований и применений.
Лангбейнит: лаборатория квантовых чудес
Исследователи сосредоточились на искусственно созданных кристаллах никель-лангбейнита (K2Ni2(SO4)3). Именно никель, с его магнитными ионами, играет ключевую роль. Две триллиевые решетки из никеля, переплетенные друг с другом, создают сложную магнитную структуру. При приложении внешнего магнитного поля магнитные моменты ионов никеля не могут найти энергетически благоприятное выравнивание, что усиливает фрустрацию и порождает QSL.
Нейтроны и теория: тандем для раскрытия тайн
Ключевым инструментом в этом исследовании стал нейтронный источник ISIS в Оксфорде. Нейтроны, проникая в кристаллическую решетку, позволили ученым “увидеть” магнитные колебания лангбейнита. Оказалось, что QSL-поведение проявляется не только при экстремально низких температурах, но и при сравнительно “теплых” 2 Кельвинах.
Теоретическая команда под руководством Йоханнеса Ройтера из HZB подтвердила эти данные с помощью моделирования. Матиас Гонсалес, используя метод Монте-Карло, построил фазовую диаграмму, которая даже выявила “остров ликвидности” в центре сильно нарушенной решетки тетратриллиума. Винсент Нокулак, применяя метод диаграмм Фейнмана, разработанный Ройтером, рассчитал взаимодействия между спинами с поразительной точностью.
Совпадение между экспериментальными данными и теоретическими выкладками было удивительно высоким, что свидетельствует о глубоком понимании сложных взаимодействий в лангбейнитах.
Лангбейниты: кладезь для квантовой информации
Открытие QSL в лангбейнитах открывает новые горизонты для поиска подобных свойств в других представителях этого класса материалов. Белла Лейк и ее команда уже синтезировали новые лангбейниты, которые также демонстрируют признаки трехмерных квантовых спиновых жидкостей.
Хотя это исследование пока остается в сфере фундаментальной науки, перспективы для будущих применений весьма заманчивы. Лангбейниты могут стать ценным ресурсом для создания новых типов квантовых материалов, способствующих развитию квантовой информации и вычислительной техники.
