Квантовые спиновые жидкости (КСЖ) обещают ученым развитие в областях квантовых вычислений и передачи энергии без потерь. В них магнитные моменты частиц теоретически не должны упорядочиваться даже при охлаждении до абсолютного нуля температур.
Теоретические основы процессов в КСЖ разработаны давно, но до сих пор физики не могли прямо экспериментально доказать существование основополагающего элемента этого экзотического состояния материи — эмерджентных фотонов.
Это не фотоны в прямом смысле слова, не квант излучения. Эмерджентные фотоны — квазичастица, описывающая общее возбуждение электромагнитной системы. В целом оно ведет себя подобно фотону и хорошо описывается разработанными для фотонов теориями, но не является им. Доказать существование именно эмерджентных фотонов мешали загрязнение данных шумами и недостаточная чувствительность выбранных методов исследований.
Исследовательская группа Университета Райса (США) использовала для эксперимента рассеяние поляризованных нейтронов, чтобы найти характерные признаки поведения квантовой спиновой жидкости. Выбранный учеными метод позволили отделить магнитное рассеяние от других сигналов при предельно низких температурах.
При анализе данных ученые подтвердили ключевую особенность, отличающую квантовый спиновый лед от обычных магнитных фаз вещества — сигналы эмерджентных фотонов вблизи нулевой энергии . Дополнительные измерения удельной теплоемкости подтвердили, что теоретически предсказанные эмерджентные фотоны рассеиваются так же, как звуковые волны.
В том же эксперименте ученые подтвердили существование спинонов — квазичастиц, использующихся для описания разделенных, «фракционализированных» спиновых возбуждений. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
Раньше это поведение мешали подтвердить шумы и неполные данные. Физикам пришлось изменить методы подготовки образцов и использовать очень точные приборы. Работа выполнена совместно с ведущими лабораториями Европы и Северной Америки.
Впервые эмерджентные фотоны и спиноны — характерные признаки квантового спинового льда — наблюдались в трехмерном материале. Это открытие завершает многолетние дебаты в физике конденсированного состояния и создает основу для разработки технологий следующего поколения.
«Этот неожиданный результат побуждает ученых глубже изучать подобные уникальные материалы, что может изменить наше понимание магнетизма и поведения веществ в экстремальных квантовых условиях», — отметил Бин Гао (Bin Gao), ведущий автор исследования, научный сотрудник кафедры физики и астрономии Университета Райса (США).