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.