Физики обнаружили в двумерном материале экзотическое магнитное состояние вещества – спиновую жидкость.

Существование особого магнитного состояния вещества – спиновой жидкости было теоретически предсказано в 1973 году Филипом Андерсоном, ставшим впоследствии лауреатом Нобелевской премии по физике 1977 года. Аналогия с жидкостью здесь совершенно условная и связана с особенностями поведения спинов частиц при достаточно низких температурах. 

Структура исследуемого хлористого альфа-рутения. На рисунке (b) разными цветами показана укладка нескольких слоев вещества, а черными стрелками зигзагообразная магнитная структура в одном из слоев.

Экспериментальное обнаружение спиновой жидкости затянулось почти на сорок лет из-за сложности подбора подходящего вещества и недостаточной надежности методик исследования. Только в 2012 году спиновая жидкость была обнаружена в редком минерале гербертсмитите. 

Теперь физики США, Великобритании и Германии обнаружили спиновую жидкость в порошке хлористого альфа-рутения (α-RuCl₃) с двумерной структурой, подобной графену. Используя метод упругого рассеивания нейтронов на атомах кристаллической решетки, они получили результаты, хорошо совпадающие с одной из главных теоретических моделей для спиновых жидкостей, созданной Алексеем Китаевым (модель Китаева). Результаты работы они опубликовали в журнале Nature Materials.

Обычные материалы при понижении температуры стремятся перейти в то или иное упорядоченное состояние, например, в ферромагнетиках в этом случае спины частиц выстраиваются параллельно, а в антиферромагнетиках – попарно антипараллельно. В спиновой жидкости упорядочивание не наступает до самых низких температур. В ней продолжаются коллективные возмущения спинов, которые перетекают с места на место. Ориентация спинов частиц постоянно меняется, «течет», никогда не останавливаясь насовсем, но образуя, согласно теории, фрактальные магнитные узоры. 

Это перетекание может быть описано с помощью квазичастиц — спинонов, ведущих себя как жидкость. В ряде случаев они могут проявлять свойства майорановских фермионов (частиц, которые являются одновременно античастицами), названных по имени итальянского физика Этторе Майораны, впервые предсказавшего их существование. Поведение спиновой жидкости оказывает влияние на измеряемые магнитные и некоторые другие характеристики вещества. Причем коллективный характер явления  приводит к несвойственным обычным частицам дробным значениям ряда характеристик.

Один из авторов работы, Дмитрий Коврижин, бывший сотрудник Курчатовского института, сейчас представляющий Кембриджский университет, признался, что до недавнего времени физики даже не понимали, как могут выглядеть экспериментальные свидетельства спиновой жидкости. Зато теперь сделан важный шаг для понимания квантовой материи. 

Отметим, что интерес к спиновой жидкости связан с двумя перспективными направлениями исследований, активно ведущимися в настоящее время во всем мире. Первое – это возможное использование квазичастиц, представляющих собой майорановские фермионы, в качестве кубитов – элементарных ячеек будущих квантовых компьютеров. По теоретическим представлениям они должны быть более устойчивы к помехам. Второе – получение высокотемпературной сверхпроводимости.