Международная команда ученых под руководством Пэнчэна Дая из Университета Райса доказала существование эмерджентных фотонов и дробных спиновых возбуждений в редком квантовом спиновом стекле.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, подтвердили, что кристаллическое соединение оксида церия-циркония (Ce₂Zr₂O₇) — это первый четкий пример трехмерного квантового спинового состояния.

Квантовые спиновые жидкости десятилетиями оставались теоретической загадкой.

Они не ведут себя как обычные магниты, а вместо этого создают сложные квантовые взаимодействия при температурах, близких к абсолютному нулю.

Это открывает путь к технологиям будущего — например, квантовым компьютерам и сверхпроводникам без потерь энергии.

Квантовая спиновая жидкость — это состояние материи, где магнитные моменты атомов (спины) не упорядочиваются даже при охлаждении почти до абсолютного нуля. Вместо этого они постоянно флуктуируют, создавая сложные квантовые связи. Представьте толпу людей, которые не могут решить, в какую сторону повернуться, и постоянно меняют мнение, но при этом остаются связанными невидимыми нитями.

Мы нашли ответ на важный вопрос, напрямую зафиксировав эти возбуждения, — говорит Дай, профессор физики и астрономии. — Теперь ясно, что Ce₂Zr₂O₇ ведет себя как квантовое спиновое стекло, особая форма спиновой жидкости в трех измерениях.

Эксперимент потребовал исключительной точности. Ученые использовали поляризованное нейтронное рассеяние, чтобы отделить магнитные сигналы от посторонних шумов даже при почти нулевой температуре. Вдобавок они обнаружили слабые следы фотонов — ключевой признак квантового спинового льда. Дополнительные замеры теплоемкости подтвердили: эти фотоны распространяются подобно звуку в твердом теле.

Раньше подобные исследования сталкивались с помехами и неполными данными. Но команда Дая улучшила методику, задействовав оборудование ведущих лабораторий Европы и Северной Америки.

Главный прорыв — впервые удалось наблюдать эмерджентные фотоны и спиноны (частицы, характерные для спиновых жидкостей) в трехмерном материале. Это закрывает давний спор в физике конденсированных сред и дает основу для новых технологий.

Результат неожиданный, — говорит Бин Гао, ведущий автор исследования. — Теперь ученые будут активнее изучать такие материалы, и это может изменить наше понимание магнетизма в квантовом мире.

Польза исследования

• Квантовые вычисления: Если спиновые жидкости действительно стабильны и управляемы, их можно использовать для создания кубитов, устойчивых к декогеренции.
• Сверхпроводимость: Эмерджентные фотоны могут помочь понять, как передавать энергию без потерь даже при высоких температурах.
• Новые материалы: Открытие подталкивает к поиску аналогов Ce₂Zr₂O₇ — возможно, более дешевых или работающих при менее экстремальных условиях.

Однако эксперимент проводился при температурах, близких к абсолютному нулю (−273 °C). Пока неясно, сохранятся ли свойства материала в реальных условиях. Кроме того, сам Ce₂Zr₂O₇ — редкий и сложный в синтезе материал, что ограничивает его практическое применение.

Ранее казанские ученые вырастили пленки для создания градиентного магнитного материала.