Японские исследователи выяснили, что в синтетическом аналоге минерала, найденного на Камчатке, содержится новая экзотическая форма материи – двумерная квантовая спиновая жидкость. Описание работы ученых опубликовал научный журнал Nature Communications. "Создание квантовых спиновых жидкостей стало одним из самых важнейших достижений как для изучения физики конденсированного состояния, так и для создания спинтронных электронных приборов. Мы раньше никогда не наблюдали ее двумерной формы, что было связано с расхождениями между теорией и практикой", – рассказал один из авторов исследования, доцент Токийского университета науки Масайоси Фудзихала.
Так называемые квантовые спиновые жидкости – это экзотическая форма материи, которая состоит из определенного набора атомов или ионов, спины электронов в которых ведут себя хаотичным образом даже при очень низких температурах, подобно молекулам воды и другой жидкости. Их существование ученые предсказали более сорока лет назад, однако первые аналоги квантовых спиновых жидкостей физиками из Китая и США открыли лишь в 2016 году. Создание этой формы материи стало особенно важным событием для мира физики, ведь оно одним из первых экспериментально подтвердило, что так называемые майорановские фермионы – частицы, которые являются своим же собственным антиподом, – могут существовать в реальности.
Фудзихала и его коллеги создали еще более экзотическую двумерную форму этой материи. Они экспериментировали с веществами, которые по структуре похожи на мозаику из треугольников и квадратов и при этом обладают антиферромагнитными свойствами. Так исследователи называют особый класс материалов, в которых магнитные моменты атомов не направлены в одну сторону, как в обычных магнитах, а уложены в "шахматном" порядке. В результате этого они нейтрализуют друг друга и не создают внешнего магнитного поля. Благодаря подобной "упаковке" атомов антиферромагнитные материалы можно использовать для сверхплотной записи информации.
Физики-теоретики давно предполагают, что у антиферромагнитных материалы, структура которых похожа на мозаику из чередующихся треугольников и квадратов, будет необычный набор свойств, благодаря которому в них могут образовываться тонкие прослойки толщиной в один атом со свойствами квантовой спиновой жидкости. Ученые из Японии и Австралии обратили внимание, что у природного минерала атласовита очень похожая структура. Этот минерал советские геологи открыли в 1987 году в окрестностях вулкана Толбачик на Камчатке. Он представляет собой сложное соединение серной кислоты, кислорода, хлора, железа, висмута, калия и меди.
Фуджихала и его коллеги выяснили, что замена железа на алюминий особым образом меняет структуру этого вещества и заставляет электроны в определенных его слоях вести себя хаотичным образом даже при сверхнизких температурах – подобно тому, как это делают их аналоги в трехмерных версиях квантовой спиновой жидкости. Что интересно, результаты наблюдений за поведением спинов электронов при разных температурах не совпали с тем, что предсказывает стандартная теоретическая модель, которая описывает структуру подобных атомных "мозаик", их магнитные свойства и механизм рождения квантовой спиновой жидкости в них.
Почему это так, ученые пока не знают. Однако они предполагают, что существующие теоретические выкладки не учитывают то, как на поведение частиц в этой жидкости влияют их взаимодействия с атомами и электронами, которые расположены на большом расстоянии от них. Исследователи надеются, что дальнейшие эксперименты помогут им сформулировать новую теорию, которая позволит предсказывать свойства подобных двумерных квантовых жидкостей и использовать их на практике.
