Ученые экспериментально обнаружили особый тип поглощения электромагнитного излучения диэлектриком. Характеристики этого поглощения совпадают с теоретическим предсказанием нового фундаментального вида возбуждения материала. Это открытие поможет исследователям в создании квантово-электронных систем. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Спиновая жидкость — это магнитное состояние вещества, при котором спины — собственные моменты импульса элементарных частиц — ведут себя подобно жидкости. Это означает, что спины в таком состоянии сильно связаны между собой (например, направлены параллельно друг другу), но магнитного порядка не образуют (каждый спин направлен противоположно соседу так, что суммарный спин у такого вещества равен нулю). Как правило, спиновые жидкости существуют при низких температурах — от –70 ℃ и ниже. Существование такого состояния вещества предсказал американский физик-теоретик Филип Андерсон в 1973 году, экспериментально существование спиновой жидкости подтвердили ученые из Массачусетского технологического института в 2012 году.

Один из признаков спиновой жидкости — это возможность возбудить спиновую подсистему. Если система будет поглощать электромагнитную энергию, она будет переходить в какое-то устойчивое возбужденное состояние. Элементарную составляющую основного состояния спиновой жидкости называют спиноном. Разобраться в природе спинонов можно на примере другого вида возбуждения — магнонов. Это магнитные возбуждения, связанные с магнитным моментом.

«Пусть все электроны антиферромагнитно упорядочены. И вы у одного электрона переворачиваете спин. Он перестает быть антиферромагнитно упорядоченным по отношению к своим соседям. Тогда соседние электроны тоже начинают переворачиваться. И этот переворот спина распространяется по всем электронам. Это возбуждение и описывается с помощью магнонов», — поясняет один из авторов статьи, научный сотрудник МФТИ Елена Жукова.

Спиновое состояние магнона равно единице. То есть в нем всегда участвуют два спина: один перевернулся — он сразу же перевернет своих соседей. Спинон же, напротив, нецелочисленная квазичастица — это возбуждение со спином ½ и зарядом 0.

Один из методов обнаружить возбуждение спинонов — это исследовать материал, в котором спины без заряда начинают сильно взаимодействовать с электронами после того, как квантовая спиновая жидкость переходит в возбужденное состояние за счет повышения температуры. Такие спин-зарядовые корреляции, как было показано теоретически, должны приводить к поглощению электромагнитной волны.

«Были попытки обнаружить это взаимодействие. Но получаемые данные только качественно совпадали с теорией. Наше исследование говорит, что для того, чтобы обнаружить спиноны, необходимо использовать материал, у которого при высоких температурах много электронов проводимости, но при понижении температуры они все становятся сильно локализованы за счет кулоновского отталкивания. Под такое описание идеально подходят так называемые моттовские изоляторы. Если вы понижаете температуру такого материала, то есть понижаете кинетическую энергию электронов, их кулоновское отталкивание начинает превалировать — электроны теряют возможность двигаться. Они становятся замороженными», — рассказывает Елена Жукова.

В сильных моттовских изоляторах с разупорядоченной спиновой подсистемой, в которых электроны совсем неподвижны, спиноны можно наблюдать при помощи терагерцовой оптической спектроскопии, в диапазоне частот от 30 ГГц до 5–6 ТГц. Авторы обнаружили это возбуждение в виде дополнительного поглощения электромагнитной волны на низких частотах, характеристики которого очень похожи на те, что предсказала теория.

«Исследованные нами материалы в состоянии диэлектрика поглощали электромагнитные волны сильнее, чем, казалось бы, должны были, причиной чего было возбуждение спинонов. И поскольку этот эффект сугубо квантовый, его будет необходимо учитывать при создании устройств квантовой электроники, которая использует принципы квантовой природы носителей заряда», — заключает Елена Жукова. Таким образом, результаты, которые получили ученые, подтверждают фундаментальную теорию квантовой спиновой жидкости.