Обнаружено новое состояние материи

Ранее неизученное состояние материи, впервые предсказанное в 1973 году, было недавно задокументировано физиками из Гарварда. Это квантовая спиновая жидкость. Его суть в магнитах, которые никогда не замерзают, и вращаются в электронах.

В 1973 году физик Филип В. Андерсон выдвинул теорию существования нового состояния материи, которое станет центральным в разработке сверхбыстрых квантовых компьютеров. В обычных магнитах, ниже определенной температуры, электроны стабилизируются и образуют магнитное твердое тело. В квантовой спиновой жидкости электроны не стабилизируются при охлаждении, не превращаются в твердое тело, постоянно изменяются и движутся хаотично (флуктуируют). Свойства этого состояния материи будут полезны для развития квантовых технологий, таких как высокотемпературные сверхпроводники и квантовые компьютеры.

Это одно из самых сложных квантовых состояний, существование которого никогда никем не подтверждалось.

Наблюдать за состоянием можно было с помощью программируемого квантового симулятора — это квантовый компьютер, с помощью которого ученые изучают квантовые процессы, они могут изучать работу каждого атома. Ученые использовали симулятор, чтобы создать модель сломанной решетки, поместив туда атомы для взаимодействия и запутывания. Затем они смогли измерить и проанализировать топологические цепи, соединяющие атомы после того, как вся структура была запутана. Наличие таких струн означает, что имели место квантовые корреляции и возникло квантово-спиновое жидкое состояние материи.

Предполагается, что квантовые спиновые жидкости будут ключом к созданию кубитов — мельчайших единиц информации в квантовом компьютере, их «строительных блоков», источника вычислительной мощности. По словам соавтора исследования Джулии Семегини, это мечта о квантовых вычислениях, поскольку создание и использование кубитов является важным шагом в развитии сверхточных квантовых компьютеров. Исследователи планируют продолжить работу с симулятором, чтобы выяснить, как именно квантовые спиновые жидкости можно использовать для создания надежных кубитов.

Ученые из Гарварда открыли новое состояние материи — квантовую спиновую жидкость.

Гарвардские исследователи Михаил Лукин и Юлия Семегини возглавили группу, которая впервые наблюдала экзотическое состояние материи, называемое квантовой спиновой жидкостью.

Ученые из Гарварда впервые в мире наблюдали новое состояние вещества. Гипотезу о его существовании выдвинули другие ученые почти 50 лет назад. Речь идет о квантовой спиновой жидкости, которая имеет большой потенциал. Например, его можно использовать для квантовых вычислений.

Чтобы материалы стали магнитными, спины электронов в них должны быть высокоупорядоченными. Самый распространенный тип магнетизма (который удерживает магнит на холодильнике) работает, потому что спины всех электронов в материале ориентированы в одном направлении. Другие типы магнетизма могут возникать, когда спины соседних электронов чередуются вверх и вниз в ячейке. Другими словами, все работает, пока в материале есть порядок.

Когда материал охлаждается, он не образует твердого тела и, что важно, электроны не стабилизируются в высокоупорядоченном состоянии. Вместо этого они будут постоянно переключаться, запутываясь друг с другом в сложном квантовом состоянии.

Впервые создана квантовая спиновая жидкость.

Для этого исследователи использовали программируемый квантовый симулятор, разработанный ими несколько лет назад, в котором лазеры удерживают 219 атомов в сетке. Свойства этих атомов можно осторожно изменять, включая спины их электронов.

Для этого исследования команда организовала атомы в треугольную решетку, что означает, что у каждого из них есть два ближайших соседа. Пара электронов может быть магнитно стабилизирована тем или иным способом, потому что их спины могут совпадать или чередоваться, но присутствие третьего колеса нарушает этот баланс, создавая «фрустрированный магнит», который не может остановиться.

Полученная спиновая жидкость демонстрирует несколько полезных квантовых явлений. Во-первых, запутанность, когда атомы могут влиять друг на друга на большие расстояния и даже «телепортировать» информацию. Во-вторых, квантовая суперпозиция, когда атомы могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Оба они полезны для создания квантовых компьютеров, которые должны быть более устойчивыми к внешним помехам.

Исследование опубликовано Science.