RW Space

На протяжении десятилетий ученые искали квантово-спиновые жидкости (QSL) — материалы, которые, как считается, обладают рядом особых свойств, которые могли бы улучшить наше понимание магнетизма и усилия по разработке квантовых компьютеров.

В новом исследовании материал, ранее считавшийся QSL, оказался чем-то другим. Это открытие предполагает, что нам необходимо переосмыслить то, как мы оцениваем кандидатов на QSL; он также обнаруживает совершенно новое, неквантовое состояние материи.

По данным международной группы исследователей, проводивших исследование, материал, гексалюминат церия и магния (CeMgAl₁₁O₁₉), обладает некоторыми странными, никогда ранее не наблюдавшимися свойствами, которые могли бы быть очень полезными, но он не может квалифицироваться как QSL.

«Материал был классифицирован как квантовая спиновая жидкость из-за к двум свойствам: наблюдению континуума состояний и отсутствию магнитного упорядочения», — говорит физик Бин Гао из Университета Райса в США.

«Но более пристальное наблюдение за материалом показало, что основной причиной этих наблюдений не была жидкая фаза с квантовым спином».

Ученые до сих пор искали QSL путем охлаждения материалов до чрезвычайно низких температур и поиска тех двух характеристик, которые CeMgAl₁₁O₁₉ обладает: размытым континуумом состояний и хаотичным магнитным поведением, которое не соответствует обычным правилам.

Хотя эти материалы (или, точнее, материальные фазы) уже давно теоретически выдвинуты, и ученые добились определенного успеха в создании синтетических QSL, созданных в лаборатории, им еще предстоит найти убедительные примеры, встречающиеся в природе.

Что показывает CeMgAl₁₁O₁₉, так это что эти два «сигнальных» знака QSL не так надежны, как думали физики.

Используя различные методы, в том числе отражение рентгеновских лучей и нейтронов от кристаллического материала, понижение его температуры и применение магнитных полей, исследователи обнаружили, что материал все-таки не является QSL.

Конкурирующие магнитные силы внутри материала, а также необычное расположение атомов на самом деле вызывают эффекты, подобные QSL – так что пока CeMgAl₁₁O₁₉ можно исключить как QSL, это все еще интригующее состояние материи, новое для науки.

«Нас интересовал этот материал, который обладал набором характеристик, которых мы раньше не видели», — говорит физик Тонг Чен из Университета Райса.

«Это не была жидкость с квантовым спином, но мы наблюдали то, что мы считали квантовым спином. поведение, связанное с жидкостью».

Это может показаться не особенно актуальным для повседневной жизни, но с QSL связаны некоторые потенциально огромные прорывы, особенно в области квантовых вычислений.

Эти системы обещают экспоненциальный скачок с точки зрения вычислительной мощности, но они еще далеки от того, чтобы стать реальностью – по крайней мере, в полностью реализованных формах, которые полезны за пределами лабораторных тестов.

Считается, что QSL могут помочь улучшить стабильность квантовые компьютерные системы, которые в своей нынешней форме прототипа невероятно хрупкие и склонны к ошибкам. Потенциально QSL-частицы могут сделать квантовое хранилище данных более устойчивым.

Если эти компьютеры удастся разработать и оптимизировать, то есть веские основания полагать, что повышение производительности пойдет на пользу моделированию изменения климата, прогнозированию погоды, открытию лекарств и многому другому.

Решающее значение имеет «вращение» в QSL: оно относится к определенному типу импульса, который проявляет частица, когда она движется через магнитное состояние. Согласно текущим гипотезам, в QSL этот импульс заметно неупорядочен.

Определенно наблюдается прогресс в выявлении кандидатов на QSL, хотя их редкость затрудняет их отслеживание.

Хотя будет некоторое разочарование тем, что CeMgAl₁₁O₁₉ не является нашей первой настоящей QSL, тем не менее, она обладает захватывающим набором свойств и будет служить полезным ориентиром для ученых, пытающихся найдите эти неуловимые материалы.

По теме: Атомные часы могут раскрыть скрытую квантовую природу самого времени

«Это новое состояние материи, которое, насколько нам известно, мы описали первыми», — говорит физик Пэнчэн Дай из Университета Райса.

«Это подчеркивает важность тщательного наблюдения и тщательного изучения ваших данных».

Результат опубликован в области достижений науки.