Вчені розгадали квантову таємницю віком у десятиліття

Глобальна дослідницька група під керівництвом фізика з Університету Райса Пенченга Дая підтвердила наявність емерджентних фотонів та фракціоналізованих спінових збуджень у незвичайній квантовій спіновій рідині. Результати роботи, опубліковані у журналі Nature Physics, вказують на те, що кристал церію цирконію оксиду є чистим тривимірним прикладом цього екзотичного стану матерії.

Квантові спінові рідини роками захоплювали фізиків, оскільки вони потенційно можуть підтримувати трансформаційні технології, включаючи квантові обчислення та передачу енергії без втрат. На відміну від звичайних магнітів, які встановлюються в упорядкований патерн, ці матеріали уникають звичайного магнітного порядку. Натомість їхні магнітні моменти залишаються сильно квантово заплутаними та перебувають у постійному колективному русі при температурах, близьких до абсолютного нуля, створюючи поведінку, що нагадує емерджентну квантову електродинаміку.

«Ми відповіли на важливе відкрите питання, безпосередньо виявивши ці збудження», сказав Дай, професор фізики та астрономії імені Сема та Хелен Ворден. «Це підтверджує, що церій цирконій оксид поводиться як справжній квантовий спіновий лід, особливий клас квантових спінових рідин у трьох вимірах».

Для виявлення цих невловимих сигнатур дослідники покладалися на передове поляризоване нейтронне розсіювання. Цей підхід допоміг їм ізолювати магнітне розсіювання, яке їх цікавило, одночасно відфільтровуючи інші сигнали, навіть коли система наближалася до межі нульової температури.

Їхні вимірювання також виявили сигнали емерджентних фотонів поблизу нульової енергії, що є визначальною рисою, яка відокремлює квантовий спіновий лід від більш знайомих фаз, знайдених у звичайних магнітах. Додаткові докази надійшли з вимірювань питомої теплоємності, які підтримали ідею про те, що ці передбачені емерджентні фотони слідують дисперсії, що нагадує спосіб, яким звук рухається через тверде тіло.

Попередні спроби підтвердити такий тип поведінки часто підривалися технічним шумом та неповними даними. Команда під керівництвом Університету Райса вирішила ці виклики через покращену підготовку зразків та високоточні інструменти, підтримані міжнародними зусиллями за участю великих лабораторій по всій Європі та Північній Америці.

У цьому тривимірному кандидатному матеріалі дослідники спостерігали як емерджентні фотони, так і спінони, ключові ознаки квантового спінового льоду. Результат вирішує тривалу дискусію у фізиці конденсованої матерії та надає вченим потужну платформу для вивчення квантових феноменів наступного покоління та потенційних технологічних шляхів.

Бін Гао, науковий співробітник факультету фізики та астрономії Університету Райса та перший автор дослідження, сказав, що висновки підтверджують десятиліття теоретичних очікувань. «Цей дивовижний результат заохочує вчених глибше досліджувати такі унікальні матеріали, потенційно змінюючи те, як ми розуміємо магніти та поведінку матеріалів у екстремальному квантовому режимі», сказав Гао.

Співавторами цього дослідження є Фелікс Дерошер та Йонг Бек Кім з Університету Торонто, випускник Університету Райса Девід Там з Інституту Пауля Шеррера, Зільке Пашен, Діана Кіршбаум та Дуй Ха Нгуєн з Віденського технічного університету, Пауль Штеффенс та Арно Хісс з Інституту Лауе-Ланжевена, Іксі Су з Центру Юліха Центру Хайнца Майєра-Лейбніца та Санг-Вук Чеонг з Університету Ратгерса.

Дослідження підтримали Міністерство енергетики США, Фонд Гордона та Бетті Мур та Фонд Роберта Велча. Відкриття квантового спінового льоду в церію цирконію оксиді відкриває нові можливості для розуміння глибоко заплутаної матерії та може стати основою для розробки майбутніх квантових технологій. Здатність безпосередньо спостерігати емерджентні фотони та спінони в тривимірному матеріалі представляє значний прорив у експериментальній фізиці та підтверджує теоретичні прогнози, зроблені десятиліттями раніше.