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. 
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. 

Исследователи надеются, что дальнейшие эксперименты помогут им сформулировать новую теорию, которая позволит предсказывать свойства подобных двумерных квантовых жидкостей и использовать их на практике.

ИА «Камчатское время» 

Распечатать