Ученые обнаружили новое состояние материи, проявляющееся в двумерных материалах - «Наука и технологии»

Международная группа исследователей, в состав которой входили исследователи из Кембриджского университета, обнаружила доказательства существования необычного и загадочного состояния материи, проявляющегося в материале одноатомной толщины. Это состояние, известное под названием квантовой спиновой жидкости, было предсказано в теории в 1973 году, а первые проявления материи, находящейся в этом состоянии внутри обычных неплоских материалов были получены экспериментальным путем в 2012 году. Появление квантовой спиновой жидкости обуславливается "жидким" поведением спинов (моментов вращения) частиц, и ученые считают, что в материи, находящееся в таком состоянии, электроны, считавшиеся ранее неделимыми частицами, расщепляются на меньшие части.

Исследовательская группа использовала двухмерный материал, структура которого напоминает структуру графена. И, при помощи некоторых уловок, в этом материале были зарегистрированы четкие подписи присутствия так называемых майорановских фермионов. Результаты этого эксперимента, объединенные с некоторыми основными квантовыми теориями, указывают на присутствие квантовой спиновой жидкости, соответствующей теоретической модели Китаева.

В среде обычного магнитного материала электроны ведут себя подобно крошечным магнитам. Когда такие материала охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, направления всех "электронных магнитов" упорядочиваются и указывают в одном направлении. В материале, содержащем квантовую спиновую жидкость, даже при охлаждении, направления магнитных моментов не выравниваются и это обуславливается влиянием квантовых колебаний.

В экспериментах, которые проводились при участии ученых из Национальной лаборатории Ок-Ридж, ученые использовали технологии рассеивания нейтронов для получения данных о фракционализации электронов в двухмерных кристаллах хлорида рутения (RuCl3). Этот метод заключается в исследовании магнитных свойств кристаллов путем их "освещения" потоком нейтронов и регистрации ряби, подобной интерференционной ряби, которую создают на поверхности датчика отклонившиеся от своего пути нейтроны.

Обычный магнитный материал оставил бы на поверхности датчика маленькое пятно от нейтронов с четкими границами. Однако, наличие квантовой спиновой жидкости и майорановских фермионов в материале приводит к рассеиванию нейтронного луча. Именно это зарегистрировали ученые и полученные ими результаты отлично вписываются в существующие теоретические модели, что можно считать достаточно убедительным доказательство факта существования квантовой спиновой жидкости в двумерных материалах.

Наблюдение весьма интригующего явления раскола электронов, называемого фракционализацией, в реальном двумерном материале может стать основой для технологий генерации и практического использования майорановских фермионов. Эти квазичастицы, состоящие из "обломков" электронов в данном случае, могут стать основой квантовых компьютеров, квантовых коммуникационных устройств и других технологий, которые невозможно реализовать другими путями.

"Это является важным шагом к пониманию нами природы квантовой материи" - пишут исследователи, - "И наблюдение за материей, находящейся в новом квантовом состоянии - это не просто забава, это дает нам в руки массу возможностей и массу новых технологий".