«Квантовый» материал обманул учёных и открыл новое состояние вещества

Учёные обнаружили магнитный материал, который имитирует квантовую спиновую жидкость, но не является ею. Его поведение обусловлено тонким конфликтом магнитных сил, что выявило ранее неизвестное состояние материи. Credit: AI/ScienceDaily.com

Магнитные материалы, которые, как считалось, содержат квантовую спиновую жидкость, привлекли большой интерес из-за их потенциала для изучения экзотических состояний материи и развития квантовых вычислений. Однако в квантовом мире внешность может быть обманчива. Новое исследование, опубликованное в Science Advances и проведённое под руководством учёного из Университета Райса Пэнчэна Дая, показывает, что гексаалюминат магния и церия (CeMgAl₁₁O₁₉), ранее относившийся к этой редкой категории, на самом деле не является квантовой спиновой жидкостью.

«Материал был классифицирован как квантовая спиновая жидкость из-за двух свойств: наблюдения континуума состояний и отсутствия магнитного упорядочения, — сказал Бинь Гао, соавтор исследования и научный сотрудник Университета Райса. — Но более пристальное наблюдение за материалом показало, что основная причина этих наблюдений не связана с фазой квантовой спиновой жидкости».

В изолирующих материалах, таких как CeMgAl₁₁O₁₉, магнитные ионы (например, церий) могут принимать одну из двух конфигураций: ферромагнитную или антиферромагнитную. В ферромагнитном состоянии ионы выстраиваются в одном направлении, побуждая соседей делать то же самое. В антиферромагнитном состоянии соседние ионы направлены в противоположные стороны, создавая упорядоченный рисунок. Учёные наблюдают эти конфигурации, охлаждая материалы до температур, близких к абсолютному нулю. В таких условиях обычные материалы переходят в одно стабильное состояние с низкой энергией.

Квантовые спиновые жидкости ведут себя иначе. Вместо того чтобы фиксироваться в одном состоянии, они непрерывно переключаются между несколькими низкоэнергетическими состояниями за счёт квантовых эффектов. Это приводит к появлению континуума наблюдаемых состояний, а не одного единственного, а также к отсутствию магнитного упорядочения, поскольку ферромагнитные и антиферромагнитные тенденции могут проявляться одновременно.

CeMgAl₁₁O₁₉ демонстрировал оба этих ключевых признака: отсутствие чёткого магнитного порядка и континуум состояний, что изначально указывало на квантовую спиновую жидкость. Однако более детальное изучение выявило иное объяснение. Наблюдаемый континуум возник из-за вырождения состояний, вызванного конкуренцией ферромагнитных и антиферромагнитных взаимодействий, а не квантового поведения.

«Нас заинтересовал этот материал, обладающий набором характеристик, которых мы раньше не видели, — сказал Тун Чэнь, соавтор и научный сотрудник Университета Райса. — Это была не квантовая спиновая жидкость, но мы наблюдали то, что считали поведением, связанным с квантовой спиновой жидкостью».

Чтобы выяснить, что происходит на самом деле, команда использовала нейтронное рассеяние и другие точные измерения. Они обнаружили, что граница между ферромагнитным и антиферромагнитным поведением в этом материале необычно слаба. Это позволяет магнитным ионам более свободно перемещаться между двумя состояниями, вместо того чтобы фиксироваться в одном шаблоне. В результате некоторые ионы ведут себя ферромагнитно, в то время как другие — антиферромагнитно в пределах одной структуры. Такое смешанное расположение препятствует формированию единого упорядоченного состояния и создаёт множество возможных низкоэнергетических конфигураций. При охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, материал может перейти в любую из этих конфигураций, создавая спектр наблюдаемых состояний, напоминающий континуум квантовых спиновых жидкостей. Однако, в отличие от истинной квантовой спиновой жидкости, после перехода в одно состояние материал остаётся в нём и не переключается между состояниями.

«Уникальная способность материала «выбирать» между различными низкоэнергетическими состояниями дала наблюдательные данные, очень похожие на состояние квантовой спиновой жидкости, — сказал Дай, ответственный автор исследования. — Это новое состояние материи, которое, насколько нам известно, мы описали первыми».

Открытие подчёркивает, насколько сложными и неожиданными могут быть магнитные системы. Даже когда материал, по-видимому, соответствует ожидаемым признакам квантового состояния, лежащая в основе физика может рассказать другую историю. Дай добавил, что этот уникальный материал — хорошее напоминание о том, как много мы не знаем о квантовой сфере. «Это подчёркивает важность тщательного наблюдения и всестороннего изучения ваших данных», — заключил он.