Российским ученым удалось получить новый материал, который при охлаждении до низких температур демонстрирует свойства спиновой жидкости – особого магнитного состояния вещества, при котором спины отдельных атомов не замерзают даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Материалы со свойствами спиновой жидкости могут найти применение в квантовых технологиях, основанных на перепутывании волновых функций отдельных частиц.

Работа была опубликована в журнале Inorganic Chemistry.

Универсальным свойством элементарных частиц является спин — собственный магнитный момент электрона. Во многих материалах при комнатной температуре спины разупорядочены и двигаются, а застывают (упорядочиваются) они лишь с понижением температуры. Спиновая жидкость – крайне редкое состояние вещества, при котором спины электронов остаются неупорядоченными и продолжают движение даже при температурах, близких к абсолютному нулю.

Возможность существования такого состояния вещества рассматривалась еще на заре квантовой механики, однако к поискам такого материала ученые приступили сравнительно недавно. К настоящему времени основным кандидатом на реализацию спиновой жидкости является минерал гербертсмитит, в котором ионы меди как носители магнитного момента образуют идеальную двумерную решетку кагоме (кагоме – узор японской плетеной посуды с гексагональным мотивом). Благодаря открытию российских ученых в список материалов, потенциально обладающих свойствами спиновой жидкости, добавилось еще одно вещество.

Исследователи из МГУ имени М.В. Ломоносова и НИТУ «МИСиС» синтезировали кристаллы хлорид-фосфата оксокупрата натрия и висмута с решеткой типа квадратного кагоме, в котором при охлаждении до –271°C не образуется магнитного порядка. В связи с этим исследователи предположили, что в созданном ими материале при низких температурах спиновая подсистема ведет себя как перепутанная спиновая жидкость.

«Синтезированный объект состоит из атомов натрия, меди, висмута, фосфора, кислорода и хлора. В кристаллической постройке кандидата в спиновые жидкости можно выделить два основных фрагмента-модуля. Первый – это слои, образованные кластерами из четырех тетраэдров. В центре каждого тетраэдра располагаются атомы кислорода. В трех вершинах тетраэдра находятся атомы меди, а в четвертой нашлось место атому висмута. Такие слои несут положительный заряд и готовы его разделить со вторым, отрицательно заряженным фрагментом. Этот слой комбинируется из многогранников, в центрах которых располагаются атомы натрия, фосфора и меди, а в вершинах – атомы кислорода и/или хлора. Взаимоотношения описанных слоев часто трактуют как модель «гость – хозяин». Интересно, что новое соединение было получено при избытке обычной поваренной соли! Соль способствовала формированию матрицы – хозяина, радушно принявшего «гостевой» фрагмент состава с образованием материала с уникальными физическими характеристиками», – поясняет один из авторов исследования, заведующий лабораторией «Функциональные квантовые материалы» НИТУ «МИСиС» Александр Васильев.