Физики обнаружили экзотическое состояние материи: что такое квантовая спиновая жидкость?

Представьте себе мир, где магнитные силы, обычно выстраивающие порядок, вдруг теряют свою власть. Где даже при самом сильном холоде, при абсолютном нуле, частицы не успокаиваются, а продолжают свой хаотичный танец. Нет, это не фантастический роман, а реальность, которую изучают физики, пытаясь разгадать тайну квантовой спиновой жидкости — экзотического состояния материи, бросающего вызов нашим привычным представлениям о магнетизме.

Что такое квантовая спиновая жидкость?

В обычном мире, когда температура понижается, магнитные моменты атомов, словно стрелки компаса, стремятся выстроиться в определенном порядке, формируя знакомые нам магнитные свойства. Но не в случае квантовой спиновой жидкости. Здесь, даже при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, спины электронов, которые можно представить как миниатюрные магниты, не находят покоя. Они не выстраиваются в единую структуру, а остаются в состоянии постоянных флуктуаций, запутанные между собой словно волны в бушующем океане.

Это состояние обусловлено сложными правилами квантовой механики и приводит к появлению необычных свойств, напоминающих фундаментальные взаимодействия в нашей Вселенной, например, взаимодействие света и материи. Но вот в чём загвоздка: хотя теоретически существование этих жидкостей предсказано уже давно, найти убедительные экспериментальные доказательства их существования оказалось крайне сложно.

Прорыв в мире пирохлоров

Однако недавно международная группа учёных, работая с материалом под названием пирохлорный станнат церия, смогла сделать важный шаг к подтверждению реальности квантовых спиновых жидкостей. Их методика, опубликованная в журнале Nature Physics, сочетала передовые экспериментальные техники, такие как рассеяние нейтронов при экстремально низких температурах, и тщательный теоретический анализ.

Учёные «постучались» нейтронами по спинам электронов пирохлора, словно зондируя их магнитные свойства. И что же они обнаружили? Коллективные возбуждения спинов, взаимодействующие со светоподобными волнами — словно в недрах вещества проявились отголоски квантовой электродинамики.

Спиноны: странные осколки магнетизма

Один из самых удивительных аспектов этого открытия — наблюдение так называемых спинонов. В обычной ситуации, когда магнитный момент электрона меняет направление, мы наблюдаем одно цельное событие. Но в квантовых спиновых жидкостях всё не так просто. Возбуждение распадается на две части — две «половинки» спина, каждая из которых несёт половину квантового числа. Эти «половинки», и есть спиноны — дробные квазичастицы, словно осколки разбившегося магнита.

И вот тут начинается самое интересное: спиноны, хоть и являются осколками спина, взаимодействуют между собой не как обычные магниты, а как электрически заряженные частицы, обменивающиеся «светоподобными» квантами. Это взаимодействие очень напоминает то, как электроны обмениваются фотонами, формируя основу квантовой электродинамики. Это значит, что в квантовой спиновой жидкости можно изучать явления, которые обычно проявляются только на микроскопическом уровне.

Аналогия со светом и электронами

В обычной квантовой электродинамике свет, то есть фотоны, распространяется с постоянной скоростью. В квантовых спиновых жидкостях всё иначе: эмерджентный «свет», которым обмениваются спиноны, движется гораздо медленнее — примерно в 100 раз. Это создает уникальные условия для изучения таких явлений, как излучение Черенкова и рождение пар частица-античастица, что расширяет наше понимание квантового мира.

Что дальше?

Это открытие — важный шаг к доказательству реальности квантовых спиновых жидкостей и пониманию их свойств. Оно не только открывает новые горизонты в фундаментальной физике, но также может стать ключом к разработке новых квантовых технологий, например, квантовых компьютеров. И, конечно, это исследование поднимает и другие вопросы. Например, можно ли в этих материалах найти так называемые визоны — частицы, несущие электрический заряд, подобные гипотетическим магнитным монополям?

Как ни странно, изучение квантовых спиновых жидкостей, этих «речных течений» в микромире, может дать нам ответы на вопросы, которые волнуют ученых уже не одно столетие, и открыть двери в совершенно новые области квантовой науки. Возможно, в этих необычных состояниях материи кроются ключи к пониманию самых фундаментальных законов мироздания.