Ученые получили новый материал, который при охлаждении до низких температур демонстрирует свойства спиновой жидкости — особого магнитного состояния вещества, при котором спины отдельных атомов не замерзают даже при температурах, близких к абсолютному нулю.
Материалы со свойствами спиновой жидкости могут найти применение в квантовых технологиях, основанных на перепутывании волновых функций отдельных частиц.
Спин — универсальное свойство элементарных частиц — это собственный магнитный момент электрона. Во многих материалах при комнатной температуре спины разупорядочены и двигаются, а при понижении температур — упорядочиваются. В спиновой жидкости спины электронов остаются неупорядоченными и продолжают движение даже при температурах, близких к абсолютному нулю.
Возможность существования такого состояния вещества уже рассматривалась, но к поискам подобного материала ученые приступили лишь недавно. К настоящему времени, основным кандидатом на реализацию спиновой жидкости является минерал гербертсмитит, в котором ионы меди, как носители магнитного момента, образуют идеальную двумерную решетку кагоме, получившей название в честь узора японской плетеной посуды с гексагональным мотивом.
Теперь исследователи МГУ имени М.В. Ломоносова и НИТУ «МИСиС» синтезировали кристаллы хлорид-фосфата оксокупрата натрия и висмута с решеткой типа квадратного кагоме, в котором при охлаждении до -271°C не образуется магнитного порядка. В связи с этим исследователи предположили, что в этом материале при низких температурах спиновая подсистема ведет себя как перепутанная спиновая жидкость.
«Синтезированный объект состоит из атомов натрия, меди, висмута, фосфора, кислорода и хлора. В кристаллической постройке кандидата в спиновые жидкости можно выделить два основных фрагмента-модуля. Первый — это слои, образованные кластерами из четырех тетраэдров. В центре каждого тетраэдра располагаются атомы кислорода. В трех вершинах тетраэдра находятся атомы меди, а в четвертой нашлось место атому висмута.
Такие слои несут положительный заряд и готовы его разделить со вторым, отрицательно заряженным фрагментом. Этот слой комбинируется из многогранников, в центрах которых располагаются атомы натрия, фосфора и меди, а в вершинах атомы кислорода и/или хлора. Взаимоотношения описанных слоев часто трактуют, как модель “гость — хозяин”. Интересно, что новое соединение было получено при избытке обычной поваренной соли! Соль способствовала формированию матрицы — хозяина, радушно принявшего “гостевой” фрагмент состава с образованием материала с уникальными физическими характеристиками», — рассказал соавтор исследования Александр Васильев.