Ученые приблизились к обнаружению фрактонов в квантовых спиновых жидкостях

Исследователи нашли новые теоретические доказательства того, что неуловимые квазичастицы, называемые фрактонами, могут существовать в реальных квантовых материалах. Фрактоны необычны тем, что они по сути заперты на месте, если только другие фрактоны не помогают им двигаться. Кредит: AI/ScienceDaily.com

Исследователи из HZB сделали важный шаг к приближению одного из самых необычных предсказаний квантовой физики к экспериментальной реальности. Фрактоны, экзотические квазичастицы, ранее предсказанные в квантовых спиновых жидкостях с использованием высокообобщенных калибровочных теорий поля, теперь также появились в симуляциях более реалистичной квантовой модели твердого тела.

Квазичастицы возникают из коллективного поведения множества взаимодействующих частиц внутри твердого тела. Например, колебания, распространяющиеся через кристаллическую решетку, можно описать как квазичастицы, известные как фононы.

Фрактоны гораздо более необычны. Они появляются в углах магнитных доменных стенок, разделяющих различные спиновые конфигурации, и их определяющей особенностью является крайне ограниченная подвижность. Одиночный фрактон по сути не может двигаться сам по себе и может быть перемещен только через взаимодействие с другими фрактонами.

Это ограничение потенциально может быть полезным. Поскольку фрактоны так трудно перемещать, исследователи предположили, что они могут обеспечить более надежный способ хранения квантовой информации.

Физики предсказали, что фрактоны могут возникать в нескольких типах систем, включая квантовые спиновые жидкости. Это необычные состояния материи в кристаллах, где магнитные моменты электронов никогда не устанавливаются в фиксированное расположение, даже при 0° K. Вместо этого они продолжают флуктуировать, напоминая постоянное движение атомов в жидкости.

Приближение фрактонов к более реалистичным моделям

До сих пор фрактоны, предсказанные в квантовых спиновых жидкостях, не наблюдались непосредственно в экспериментах. До сих пор теоретические предсказания этих частиц опирались на высокообобщенные калибровочные теории поля (калибровочные теории U(1) ранга 2).

Исследование под руководством профессора Йоханнеса Ройтера и доктора Нильса Ниггемана теперь приблизило эту идею к экспериментальной проверке, показав, что фрактоны могут также возникать в более реалистичной модели квантового твердого тела.

В отличие от классических моделей, эти симуляции учитывают квантовые эффекты. Однако более ранняя работа исследовательской группы столкнулась с серьезной проблемой. Когда квантовые эффекты были слишком сильными, фрактоны исчезали. Когда они были слишком слабыми, фрактоны могли выжить только как классические частицы без подлинного квантового поведения.

Улучшив способ представления взаимодействий между спинами в модели, исследователи смогли преодолеть эту трудность. Их новые численные симуляции предоставляют доказательства того, что искомая фаза материи может существовать в более реалистичных квантовых условиях.

От квантовой теории к экспериментальному обнаружению

«При моделировании этого сложного спинового взаимодействия мы выигрываем от личных обменов с коллегами из HZB в области экспериментальной физики твердого тела», — сказал Йоханнес Ройтер.

Следующая задача — идентифицировать или создать реальные физические системы, воспроизводящие условия, предполагаемые в теоретической модели. Это позволило бы исследователям экспериментально проверить, действительно ли появляются предсказанные фрактоны.

Симуляторы на основе атомов Ридберга являются одной из возможных платформ для такого эксперимента и могут стать многообещающим путем к окончательному обнаружению этих неуловимых квантовых квазичастиц.

Источники:

Nils Niggemann, Meghadeepa Adhikary, Yannik Schaden-Thillmann, Johannes Reuther. Gapless fracton quantum spin liquid and emergent photons in a 2D spin-1 model. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-74797-0