Международная группа исследователей, в состав которой
входили исследователи из Кембриджского университета, обнаружила доказательства
существования необычного и загадочного состояния материи, проявляющегося в
материале одноатомной толщины. Это состояние, известное под названием квантовой
спиновой жидкости, было предсказано в теории в 1973 году, а первые проявления
материи, находящейся в этом состоянии внутри обычных неплоских материалов были
получены экспериментальным путем в 2012 году. Появление квантовой спиновой
жидкости обуславливается "жидким" поведением спинов (моментов
вращения) частиц, и ученые считают, что в материи, находящееся в таком состоянии,
электроны, считавшиеся ранее неделимыми частицами, расщепляются на меньшие
части.
Исследовательская группа использовала двухмерный
материал, структура которого напоминает структуру графена. И, при помощи
некоторых уловок, в этом материале были зарегистрированы четкие подписи
присутствия так называемых майорановских фермионов. Результаты этого
эксперимента, объединенные с некоторыми основными квантовыми теориями,
указывают на присутствие квантовой спиновой жидкости, соответствующей
теоретической модели Китаева.
В среде обычного магнитного материала электроны ведут
себя подобно крошечным магнитам. Когда такие материала охлаждаются до
температур, близких к абсолютному нулю, направления всех "электронных
магнитов" упорядочиваются и указывают в одном направлении. В материале,
содержащем квантовую спиновую жидкость, даже при охлаждении, направления
магнитных моментов не выравниваются и это обуславливается влиянием квантовых
колебаний.
В экспериментах, которые проводились при участии ученых
из Национальной лаборатории Ок-Ридж, ученые использовали технологии рассеивания
нейтронов для получения данных о фракционализации электронов в двухмерных
кристаллах хлорида рутения (RuCl3). Этот метод заключается в исследовании
магнитных свойств кристаллов путем их "освещения" потоком нейтронов и
регистрации ряби, подобной интерференционной ряби, которую создают на
поверхности датчика отклонившиеся от своего пути нейтроны.
Обычный магнитный материал оставил бы на поверхности
датчика маленькое пятно от нейтронов с четкими границами. Однако, наличие
квантовой спиновой жидкости и майорановских фермионов в материале приводит к
рассеиванию нейтронного луча. Именно это зарегистрировали ученые и полученные
ими результаты отлично вписываются в существующие теоретические модели, что
можно считать достаточно убедительным доказательство факта существования
квантовой спиновой жидкости в двумерных материалах.
Наблюдение весьма интригующего явления раскола
электронов, называемого фракционализацией, в реальном двумерном материале может
стать основой для технологий генерации и практического использования
майорановских фермионов. Эти квазичастицы, состоящие из "обломков"
электронов в данном случае, могут стать основой квантовых компьютеров,
квантовых коммуникационных устройств и других технологий, которые невозможно
реализовать другими путями.
"Это является важным шагом к пониманию нами природы
квантовой материи" - пишут исследователи, - "И наблюдение за
материей, находящейся в новом квантовом состоянии - это не просто забава, это
дает нам в руки массу возможностей и массу новых технологий".
Источник: dailytechinfo.org
