„Квантов“ материал заблуди учените и откри ново състояние на материята

Магнитните материали, за които се смяташе, че съдържат квантова спинова течност, предизвикаха голям интерес поради потенциала си за изследване на екзотични състояния на материята и развитието на квантовите изчисления. В квантовия свят обаче външният вид може да бъде подвеждащ.

Ново проучване, публикувано в Science Advances и проведено под ръководството на Пенчен Дай, учен от Университета Райс показва, че магнезиево-цериевият хексаалуминат (CeMgAl₁₁O₁₉), който по-рано се причисляваше към тази рядка категория, всъщност не е квантова спинова течност.

„Материалът беше класифициран като квантова спинова течност поради две свойства: наблюдението на континуум от състояния и липсата на магнитна упореденост, но по-внимателното наблюдение на материала показа, че основната причина за тези наблюдения не е свързана с фазата на квантовата спинова течност.“

каза Бин Гао, съавтор на проучването и научен сътрудник в Университета Райс

В изолационни материали като CeMgAl₁₁O₁₉ магнитните йони (например, церий) могат да приемат една от двете конфигурации: феромагнитна или антиферомагнитна. Във феромагнитно състояние йоните се подреждат в една посока, като подтикват съседните да направят същото. В антиферомагнитно състояние съседните йони са насочени в противоположни посоки, създавайки подредена картина. Учените наблюдават тези конфигурации, като охлаждат материалите до температури, близки до абсолютната нула. При такива условия обикновените материали преминават в едно стабилно състояние с ниска енергия.

Квантовите спинови течности се държат по различен начин. Вместо да се фиксират в едно състояние, те непрекъснато преминават между няколко състояния с ниска енергия благодарение на квантовите ефекти. Това води до появата на континуум от наблюдаеми състояния, а не на едно единствено, както и до липса на магнитна упорядоченост, тъй като феромагнитните и антиферомагнитните тенденции могат да се проявяват едновременно.

CeMgAl₁₁O₁₉ демонстрира и двете тези ключови характеристики: липса на ясен магнитен ред и континуум от състояния, което първоначално сочеше към квантова спинова течност. Въпреки това, по-подробно проучване разкри друго обяснение. Наблюдаваното континуум възникна поради дегенерация на състоянията, предизвикана от конкуренцията между феромагнитни и антиферомагнитни взаимодействия, а не от квантово поведение.

За да разбере какво всъщност се случва, екипът използва неутронно разсейване и други прецизни измервания. Учените откриват, че границата между феромагнитното и антиферомагнитното поведение в този материал е необичайно слаба. Това позволява на магнитните йони да се движат по-свободно между двете състояния, вместо да се фиксират в един модел. В резултат на това някои йони се държат феромагнитно, докато други – антиферомагнитно в рамките на една и съща структура.

Такова смесено разположение пречи на формирането на единно подредено състояние и създава множество възможни нискоенергийни конфигурации. При охлаждане до температури, близки до абсолютната нула, материалът може да премине в която и да е от тези конфигурации, създавайки спектър от наблюдаеми състояния, наподобяващ континуум на квантови спинови течности. Въпреки това, за разлика от истинската квантова спинова течност, след преминаване в едно състояние материалът остава в него и не превключва между състоянията.

„Уникалната способност на материала да „избира“ между различни състояния с ниска енергия доведе до наблюдателни данни, които много наподобяват състоянието на квантова спинова течност. Това е ново състояние на материята, което, доколкото ни е известно, ние описахме за първи път.“

заяви Дай, водещ автор на изследването

Откритието подчертава колко сложни и неочаквани могат да бъдат магнитните системи. Дори когато материалът на пръв поглед отговаря на очакваните характеристики на квантовото състояние, основната физика може да разкаже друга история. Дей добави, че този уникален материал е добро напомняне за това колко малко знаем за квантовата сфера.