9 декабря 2021

Учёные впервые наблюдали новое состояние материи - квантовую спиновую жидкость

Материя может предложить гораздо больше, чем просто жидкости, твердые тела и газы, не говоря уже о плазме. Международная группа исследователей, возглавляемая Гарвардским университетом, задокументировала новое состояние материи: квантовую спиновую жидкость. Ее свойства могут позволить создать более надежные квантовые компьютеры.

В 1973 году физик Филип Уоррен Андерсон выдвинул теорию о существовании нового состояния материи, которое вызвало особый интерес в этой области, особенно в гонке за квантовыми компьютерами. Это новое состояние вещества называется "квантовой спиновой жидкостью" и, вопреки тому, что следует из названия, не имеет ничего общего со стандартными жидкостями.

Скорее, речь идет о "магнитных магнитах", которые не замерзают даже при очень низких температурах, и о том, как ведут себя электроны в них. В обычных магнитах, когда температура достигает определенного нижнего порога, электроны стабилизируются и образуют твердый материал с магнитными свойствами. В квантовой спиновой жидкости электроны не стабилизируются при охлаждении, не превращаются в твердое вещество и неупорядоченны (как в жидкости).

Таким образом, спиновые жидкости являются проявлением магнитного состояния. При охлаждении вещества атомные спины сильнее взаимодействуют друг с другом, и спиновые жидкости получают свои замечательные свойства от явления, называемого "магнитной фрустрацией". В то время как ферромагнетизм относится, например, к магнитам, спины которых выравниваются в одном направлении, антиферромагнетизм проявляется в антипараллельном выравнивании спинов.

Оказывается, что иногда определенные конфигурации не позволяют спинам электронов выравниваться в одном направлении (параллельно или антипараллельно), и тогда определенные взаимодействия "расстраиваются". Именно эта магнитная фрустрация предполагает сохранение спинового "беспорядка" даже при низких температурах и поддержание "жидкого состояния".

Это состояние вещества было предсказано 50 лет назад, но прежде никогда не наблюдалось. Сегодня группа физиков под руководством Гарварда заявляет, что наконец-то задокументировала это экспериментально, и их работа описана в новом исследовании, опубликованном в журнале Science.

Исследовательская группа поставила перед собой задачу наблюдать это состояние материи с помощью программируемого квантового симулятора, который лаборатория разработала в 2017 году и использовала для изучения множества сложных квантовых процессов. Симулятор представляет собой особый тип квантового компьютера, который позволяет исследователям создавать программируемые формы, такие как квадраты, соты или треугольные решетки, для разработки различных квантовых взаимодействий и сцеплений между ультрахолодными атомами.

Гарвардские ученые использовали симулятор для создания собственной магнитно-рассеянной решетки, разместив атомы так, чтобы они взаимодействовали и запутывались. Затем они измерили и проанализировали цепочки, соединяющие атомы после того, как вся структура была запутана. Наличие и анализ этих цепочек, называемых топологическими цепями, означает, что происходят квантовые корреляции и возникло жидкое квантовое спиновое состояние материи.

Различные свойства квантовых спиновых жидкостей имеют многообещающие применения, которые могут быть использованы для развития квантовых технологий, таких как высокотемпературные сверхпроводники и квантовые компьютеры.

Исследователи планируют использовать программируемый квантовый симулятор для дальнейшего изучения квантовых спиновых жидкостей и того, как их можно использовать для создания более надежных кубитов, устойчивых к шумам и внешним помехам.

"Это мечта для квантовых вычислений", — сказала Джулия Семегини, ведущий автор исследования, в своем заявлении. "Обучение созданию и использованию таких кубитов стало бы важным шагом на пути к созданию надежных квантовых компьютеров. Теперь есть еще много чего исследовать".