Группа исследователей из Швейцарии и Франции, а также физики-теоретики из Канады и США, включая Университет Райса, полагают, что нашли доказательства теоретического квантового явления, называемого квантовой спиновой жидкостью. Это открытие, обнаруженное в материале, называемом пирохлорцериевым станнатом, может привести к открытиям в фундаментальной физике и открыть двери для прорывов в других областях, таких как квантовые компьютеры.
Квантовая спиновая жидкость, если вы не в курсе, — это особое теоретическое состояние материи, в котором крошечные магнитные частицы не располагаются в фиксированном порядке. Считается, что это может происходить даже при самых низких температурах.
Согласно теории, эти спины могут находиться в постоянно меняющихся, взаимосвязанных состояниях, которые ведут себя странно, подобно состояниям в квантовой механике . Это состояние материи также обладает свойствами, которые имитируют взаимодействие света и частиц во Вселенной.
Однако доказать эту теорию до сих пор было очень сложно. С этой целью международная группа разработала передовые эксперименты (например, рассеяние нейтронов) и теоретические модели, чтобы попытаться впервые наблюдать это состояние материи.
И, судя по всему, им это удалось.
Большой прорыв
«Дробные квазичастицы материи, давно теоретически описанные в квантовых спиновых жидкостях, потребовали значительного прогресса в экспериментальном разрешении для убедительной проверки в этом типе материала», — сказал Ромен Сибиль, руководитель экспериментальной группы в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии.
«Эксперимент по рассеянию нейтронов проводился на высокоспециализированном спектрометре в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция, что позволило нам получить данные с чрезвычайно высоким разрешением», — добавил он.
«Нейтронное рассеяние — это хорошо зарекомендовавший себя инструмент анализа поведения спинов в магнитах», — добавил Андрей Невидомский, доцент кафедры физики и астрономии в Райсе, который провел теоретический анализ полученных данных. «Однако сложно разработать однозначную сигнатуру «дымящегося пистолета», которая бы доказала, что материал содержит квантовую спиновую жидкость», — добавил он.
В нашем нынешнем понимании квантовой механики электроны обладают свойством, известным как спин. Это означает, что они ведут себя подобно крошечным стержневым магнитам.
Когда электроны взаимодействуют, их «спины» выравниваются или анти-выравниваются (выравниваются в противоположном направлении). Однако это выравнивание/анти-выравнивание может быть нарушено в некоторых материалах, таких как пирохлоры .
Это называется «магнитной фрустрацией» и может привести к условиям, в которых, по словам исследователей, квантовая механика может быть создана интересными способами, например, путем создания квантовых спиновых жидкостей. Однако, несмотря на название, это явление может проявляться в различных состояниях материи, включая твердые тела.
Говорящие квантовые частицы
Исследователи объяснили, что эффект настолько значителен, что электроны могут образовывать квантово-механическую суперпозицию, которая приводит к жидко подобным корреляциям между электронными спинами, как будто спины погружены в жидкость.
«На квантовом уровне электроны взаимодействуют друг с другом, испуская и поглощая кванты света, известные как фотоны. Аналогично, в квантовой спиновой жидкости взаимодействие между спинонами описывается в терминах обмена светоподобными квантами», — сказал Невидомский.
Команда объяснила, что эти спиноны могут даже «разговаривать» друг с другом, обмениваясь волнами, похожими на свет, но гораздо медленнее. Это взаимодействие чем-то похоже на то, как электроны обмениваются фотонами в квантовой теории света.
«После этого открытия становится еще интереснее искать доказательства существования монопольных частиц в игрушечной вселенной, образованной из электронных спинов в куске материала», — сказал Невидомский.
Команда теперь ищет другие экзотические частицы, такие как «визоны», которые могли бы действовать как магнитные монополи — теоретическая идея, возникшая несколько десятилетий назад. Эти открытия могут углубить наше понимание вселенной и того, как материя работает в самых малых масштабах.
Прочитайте что такое взгляд в будущее