До сих пор этот тип магнетизма существовал лишь в теории. Работа, опубликованная в Nature Materials, вышла в момент, когда интерес к квантовым материалам, стирающим границы между магнетизмом, проводимостью и квантовой когерентностью, растет во всем мире.

Мы доказали существование нового класса квантовых материалов — металлов с одномерным магнетизмом, где магнитные моменты сильно связаны с проводящей средой, — говорит профессор Меиган Аронсон, ведущий автор исследования.

Почти все известные спиновые цепочки (одномерные структуры из микроскопических магнитов) — это изоляторы, которые при низких температурах становятся трехмерными. Из-за этого ключевые свойства квантовых металлов — сверхпроводимость, переходы между металлом и изолятором, природа магнетизма — до сих пор не были изучены в чисто одномерных системах.

Команда использовала нейтронное рассеяние, расчеты электронной структуры и метод DMRG, чтобы показать: в Ti₄MnBi₂ (тот самый тетратитанмарганецдивисмутид) реализуется особая модель спиновых цепочек с сильной фрустрацией (конкуренцией взаимодействий). Это приводит к сложным упорядоченным состояниям, которые существуют только при абсолютном нуле.

В отличие от трехмерных систем, одномерные не переходят в упорядоченное состояние из-за квантовых флуктуаций. Ti₄MnBi₂ — лишь второй известный металл с подтвержденным одномерным магнетизмом (первым был Yb2Pt2Pb) и первый, где магнетизм и проводимость тесно связаны.

Наше открытие расширяет границы квантовых исследований. Теперь мы можем использовать Ti₄MnBi₂ как эталон для моделирования квантовых систем, особенно для изучения квантовой запутанности, — объясняет Аронсон.

Экспериментальную часть работы выполнили доктора Сиян Ли и Мохамед Удах, теоретические расчеты — Альберто Ночера, Катерина Фоевцова, Джордж Саватски и Меиган Аронсон. Нейтронные эксперименты провели в Японии на установках J-PARC.

Мы вырастили более 100 партий высококачественных кристаллов Ti₄MnBi₂, а для нейтронного рассеяния использовали 400 соориентированных образцов, — рассказывает Сиян Ли, первый автор статьи.

Это исследование открывает новые возможности для спинтроники и квантовых вычислений.

Такие материалы — идеальная площадка для тестирования квантовых симуляторов. Они могут привести к созданию сверхбыстрой и компактной магнитной памяти, — добавляет Альберто Ночера.

Этот прорыв важен по нескольким причинам:

• Фундаментальная наука: подтверждена редкая форма магнетизма, о которой раньше только спорили.
• Квантовые технологии: материалы вроде Ti₄MnBi₂ могут стать основой для квантовых симуляторов, где важно управлять запутанностью.
• Спинтроника: если научиться контролировать одномерный магнетизм в металлах, можно создать память с рекордной плотностью и скоростью.
• Методология: комбинация нейтронного рассеяния и расчетов задает новый стандарт для изучения квантовых систем.

Ранее ученые приблизились к разгадке высокотемпературной сверхпроводимости.