Физики впервые показали, что монокристаллы минерала пирохлора с введенными в него цезием и цирконием проявляют свойства трехмерной спиновой жидкости.

Спиновая жидкость — магнитное состояние вещества. Несмотря на название, это твердый материал, в котором странное свойство квантовой механики — запутанность — обеспечивает жидкое магнитное состояние. Спиновая жидкость была теоретически предсказана в 1973 году, и лишь в 2012-м ученые обнаружили первое вещество с таким состоянием.

Новая работа рассказывает об обнаружении первой трехмерной спиновой жидкости. Считается, что спиновые жидкости встречаются в твердых материалах, которые состоят из магнитных атомов, в частности внутри кристаллической решетки.

Неотъемлемым свойством электронов, которое приводит к магнетизму, является спин — это собственный момент вращения электрона, который может быть направлен только в две разные стороны. В большинстве материалов спины перемешиваются случайным образом, как колода карт, но в магнитах они оказываются упорядоченными и обуславливают их физические свойства.

В спиновой жидкости при любой температуре спины электронов оказываются неупорядоченными. Мало того, они все получаются запутанными друг с другом. То есть направление спина одного электрона зависит от направления другого, на каком бы расстоянии они ни находились. Эта квантовая запутанность и обуславливает интересные свойства таких состояний.

Физики из Университета Райса впервые получили трехмерную спиновую жидкость — то есть материал, обладающий запутанностью спинов во всех пространственных измерениях. Им оказался природный минерал пирохлор, в котором атомы кальция и ниобия заменены цезием и цирконием. Но, чтобы подтвердить свои догадки, ученым пришлось приложить намного больше усилий.

Для этого исследователи предложили целый ряд доказательств. Эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов показали наличие пространства спинового возбуждения, которое может быть признаком квантовой спиновой жидкости. Исследования дифракции электронов позволили установить, что образец не имеет вакансий кислорода или других известных дефектов. А тщательная рентгенография показала, что в образце не наблюдается беспорядка в расположении атомов. Еще несколько методов анализа показали, что анализируемый учеными материал проявляет свойства квантовой жидкости.