Квантовая физика требует охлаждения до сверхнизких температур, и обнаружить ее эффекты без применения дорогих охлаждающих установок обычно невозможно. Российские ученые впервые в мире добились квантового состояния магнонов — магнитных возбуждений в магнетиках — при комнатной температуре. Результаты исследования могут помочь при разработке квантовых компьютеров, не нуждающихся в охлаждении.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Scientific Reports.

Квантовые эффекты обычно проявляются в законах микромира, физике элементарных частиц и ядерной физике. Однако при очень низких температурах они могут наблюдаться и в макроскопических масштабах. В последние десятилетия внимание ученых привлекает явление сверхпроводимости — протекание электрического тока без сопротивления. К таким явлениям относится и магнонная сверхпроводимость, открытая в 1984 году в Институте физических проблем имени П.Л. Капицы РАН (Москва). Она проявляется у магнетиков — веществ, обладающих магнитными свойствами. При этом магнетик можно представить как суперпозицию (наложение) основного состояния, то есть с минимальной возможной энергией, и магнонов — элементарных квантовых возбуждений, при которых энергия повышается.

Обычно для наблюдения этих явлений необходимо охлаждать образцы до чрезвычайно низких температур (около –273°C), что требует дорогого и сложного оборудования. Сверхтекучесть (протекание через узкие места без трения) и сверхпроводимость при комнатной температуре до сих пор никому обнаружить не удалось, а магнонную проводимость получили исследователи Российского квантового центра.

Они провели эксперименты на монокристаллической пленке железо-иттриевого граната. Это ферромагнитное, то есть при определенных температурах обладающее самопроизвольной намагниченностью, вещество серо-зеленого цвета на основе химического соединения окиси железа Fe₂O₃ с окисью иттрия Y₂O₃. В нем магноны могут дольше сохранять свои свойства.

Было показано, что при сильном возбуждении магноны образуют когерентное квантовое состояние, аналогичное Бозе-Эйнштейновскому конденсату атомов при сверхнизких температурах — магнонный БЭК. При этом довольно много атомов вещества переходит в статистически маловероятные квантовые состояния, и в результате квантовые свойства могут проявляться на макромасштабе.

«Получить квантовые явления сверхтекучести и сверхпроводимости при комнатной температуре было давней мечтой исследователей, но считалось, что они не могут проявляться в таких условиях. Наши исследования железо-иттриевого граната показали, что в этом веществе необходимые явления наблюдаются даже и при более высокой температуре. Это открытие дает возможность применения квантовых явлений в приложениях без использования дорогостоящих и габаритных систем охлаждения. Это казалось чем-то из области фантастики, но мы получили магнонную сверхпроводимость. В частности, теперь можно работать над созданием перспективных квантовых компьютеров, которые будут работать при комнатной температуре», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Юрий Буньков, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Российского квантового центра.