Международная группа физиков зафиксировала состояние квантовой спиновой жидкости в новом классе материалов — монокристалле хлорида рутения. Кроме того, авторам удалось обнаружить доказательства того, что электроны в этом материале расщепляются на отдельные квазичастицы, обладающие свойствами майорановских фермионов. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Кембриджа.

Квантовая спиновая жидкость представляет собой особый тип магнитного упорядочения. С точки зрения магнетизма, электроны в материалах можно рассматривать как маленькие магниты. В ферромагнетиках все эти магниты, при температуре ниже определенного порога (температуры Кюри), сонаправлены, в антиферромагнетиках — попарно направлены в противоположные стороны. Направлению магнитов соответствует специальная квантовая характеристика — спин. В квантовых жидкостях даже при экстремально низких температурах упорядоченности спинов не возникает — «магниты» продолжают коллективно поворачиваться то в одну, то в другую сторону. 

Такие состояния могут возникнуть, например, если мы возьмем антиферромагнитный материал и деформируем его решетку с сохранением некоторых свойств так, чтобы в ней возникли правильные треугольники. Тогда нам не удастся добиться того, чтобы все соседние магниты были направлены в противоположные стороны — состояния у магнитов два (вверх и вниз), а пар три. Из таких проблем упорядочения возникают необычные состояния, в которых состояния электронов продолжают меняться. 

Хотя впервые спиновые жидкости были предложены в 1970-х годах, до 2012 года их существование не было доказано. Впервые доказать существование подобного объекта удалось в веществе минерального происхождения — гербертсмитите. Причина этого, по словам одного из соавторов работы, в том, что долгое время физики не могли определить чем же отличаются с экспериментальной точки зрения спиновые жидкости от других магнитных состояний.

Одну из главных теоретических моделей, описывающих такое упорядочение, предложил американско-российский физик Алексей Китаев, профессор Калифорнийского Технологического Института и член Международного Консультативного Совета Российского Квантового Центра. Эта модель хороша тем, что полностью решается аналитически (без подстановки конкретных чисел). Важным следствием модели является расщепление электронов в таком материале на набор особых квазичастиц — майорановских фермионов. 

В новой работе физикам удалось обнаружить свидетельства этого расщепления с помощью техники нейтронного рассеяния. Для этого авторы направляли на порошок альфа-модификации хлорида рутения (α-RuCl3) поток нейтронов и следили за тем, как отклоняются частицы проходя сквозь кристалл. 

По словам авторов, если бы материал оказался классическим магнетиком, то картина рассеяния на детекторе выглядела бы как набор тонких полос. Предсказать же картину рассеяния для майорановских фермионов в спиновой жидкости соавторам работы удалось в 2014 году. Она совпала с наблюдавшимися учеными широкими «буграми». Тем самым, как утверждают физики, удалось показать, что в RuCl3 реализуется состояние спиновой жидкости с расщеплением электронов.

Алексей Китаев отнесся к работе с долей скепсиса. По словам физика, хотя взаимодействие между спинами в хлориде рутения приближенно описывается предложенной им моделью, при низких температурах в материале все же возникает магнитный порядок.

«В моей модели его нет, — говорит Китаев. — Сохраняются ли при этом интересные свойства модели (Майорановские фермионы и т.д.), не ясно. Насколько я понимаю, из эксперимента или численного моделирования это не следует».

Понимание механизмов работы спиновых жидкостей может стать важным ключом в разработке квантовых компьютеров — эксперты предполагают, что системы, основанные на майорановских фермионах могут быть более устойчивыми к внешним воздействиям и, соответственно, декогеренции. Экспериментальное воплощение таких систем может открыть путь к «топологически защищенным» квантовым вычислениям, теорию которых Алексей Китаев предложил в 1997 году.

Автор: Владимир Королёв.