Открытие физиков Принстонского университета может изменить представление ученых о поведении электронов в экстремальных условиях квантовых материалов. Исследователи предоставили экспериментальные доказательства того, что эти частицы ведут себя так, будто состоят из двух: одна частица дает электрону отрицательный заряд, другая — магнитные свойства, или спин.

«Мы полагаем, что это первое надежное доказательство сепарации заряда и спина, — сказал профессор Наи Пхуан Онг, старший автор статьи, опубликованной в журнале Nature Physics.

Полученные учеными экспериментальные результаты совпадают с прогнозами, сделанными десятки лет назад, для объяснения одного из самых сложных для понимания состояний вещества — спиновой жидкости. Во всех веществах спин электрона указывает либо вверх, либо вниз. В магните все они направлены в одну сторону по всей длине образца, когда температура падает ниже критической отметки.

Однако в спиновой жидкости спины не могут прийти к единству, даже если температура близка к абсолютному нулю. Они постоянно пребывают в спутанном танце с очень сложными фигурами. В итоге получается одно из самых спутанных квантовых состояний, которое интересует ученых, в особенности тех, которые занимаются квантовыми вычислениями, пишет Phys.org.

Для математического описания поведения электронов в спиновой жидкости физик Филип Андерсон предложил некогда следующее объяснение: в квантовом режиме электрон можно рассматривать как состоящий из двух частиц. Одна — носитель отрицательного заряда, вторая — спина. Андерсон назвал такую частицу спинон.

В новой работе ученые занялись поиском спинона в спиновой жидкости, состоящей из атомов рутения и хлора. При температуре –269 градусов Цельсия и в присутствии магнитного поля кристаллы хлорида рутения вошли в состояния спиновой жидкости. Подключив к кристаллу чувствительные термометры, ученые воздействовали магнитным полем и теплом на одну грань кристалла, чтобы измерить ее теплопроводность. В ряде последовательных экспериментов присутствие спинонов проявилось в виде температурных колебаний. Таким образом, ученые доказали гипотезу Андерсона.

«Люди искали эту сигнатуру десятилетиями, — сказал профессор Онг. — Если это открытие и интерпретация спинона подтвердятся, это существенно продвинет область спиновой жидкости».