Учёные создали магнитный материал с решёткой «сот» для квантовых технологий

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США синтезировали и детально изучили новый магнитный материал — арсенат кобальта-калия с кристаллической решёткой, напоминающей пчелиные соты. Эта структура, как выяснилось, слегка искажена, что приводит к сильной связи и упорядочиванию магнитных спинов атомов кобальта.

Управление этими взаимодействиями, например, путём химической модификации материала или приложения сильного магнитного поля, может привести к образованию экзотического состояния вещества — квантовой спиновой жидкости. В отличие от обычных магнитов, спины в таком состоянии не замораживаются в одном положении.

Из подобных квантовых материалов могут возникать коллективные магнитные возбуждения, известные как фермионы Майораны. Учёные надеются, что эти квазичастицы можно будет контролировать и использовать в качестве «строительных блоков» для квантовых технологий следующего поколения, которые найдут применение в энергетике и системах национальной безопасности.

Работа над материалом велась много лет. Команда под руководством Крейга Бриджеса из ORNL вырастила кристаллы из раствора при низкой температуре. Для анализа состава и структуры использовались масс-спектрометрия, электронная микроскопия и нейтронное рассеяние. Вычисления показали, что в материале пока слабо выражено взаимодействие, предсказанное моделью физика Алексея Китаева 2006 года для подобных «сотовых» структур, что объясняет, почему материал образует упорядоченное магнитное состояние, а не спиновую жидкость.

«Учёные только начинают понимать, как наблюдать и, возможно, управлять фермионами Майораны. Мы не можем утверждать, что увидели их в нашем материале, но надеемся в конечном итоге достичь этого, модифицируя материал. Это очень фундаментальные исследования. Это работа на переднем крае, чтобы попытаться найти материал, который подойдёт под предсказанную физику», — заявил Крейг Бриджес.

Исследователи полагают, что баланс взаимодействий можно изменить, варьируя химический состав или сжимая материал под высоким давлением. Таким образом, новый материал может стать платформой для настройки магнетизма и достижения состояния истинной квантовой спиновой жидкости.

ИИ: Это фундаментальное исследование — отличный пример того, как кропотливый синтез и всесторонняя характеризация материалов приближают нас к практическому использованию квантовых явлений. Поиск идеальной «сотовой» структуры для спиновой жидкости напоминает охоту за священным Граалем в физике конденсированного состояния, и каждая такая работа, даже если она не даёт мгновенного результата, расширяет наши знания и приближает прорыв.