IC: ученые ведут поиск квантовой жидкости и создают новую кобальтовую решетку

Специалисты из Национальной лаборатории Ок-Ридж достигли существенного прогресса в изучении уникального состояния материи — квантовой спиновой жидкости. Они разработали и исследовали новый магнитный материал, приблизившись к контролю над этим феноменом. В отличие от традиционных ферромагнитных материалов, где при понижении температуры микроскопические спиновые моменты выстраиваются в упорядоченную структуру, в квантовой спиновой жидкости сохраняется квантовый беспорядок даже при экстремально низких температурах, что делает её объектом повышенного интереса для фундаментальных исследований.

Исследования проводились с использованием арсенида калия-кобальта (KCo2As2), где атомы кобальта образуют двумерную структуру, напоминающую пчелиные соты, что значительно упрощает экспериментальные процедуры. Однако создание этого материала сопряжено с рядом трудностей, так как он подвержен разрушению при нагревании. Для преодоления этой проблемы был разработан метод выращивания кристаллов путем медленного нагрева специального раствора, что позволило получить образцы с требуемыми характеристиками.

Последующие структурные и композиционные анализы подтвердили соответствие полученных материалов ожидаемым параметрам. Измерения показали, что при охлаждении ниже -259 °C спины кобальта переходят в состояние частичного упорядочения, однако полноценной квантовой спиновой жидкости не образуется. Тем не менее, эксперименты по рассеянию нейтронов и компьютерное моделирование выявили наличие слабых экзотических взаимодействий, предсказанных теоретическими моделями физика Алексея Китаева. Эти взаимодействия, хотя и недостаточно сильны для преодоления обычного магнетизма, имеют важное значение, так как указывают на близость материала к критической точке.

Проведенные расчеты демонстрируют, что незначительные изменения в химическом составе или внешние воздействия могут изменить баланс сил, что открывает перспективы для создания спиновой жидкости в будущем и расширяет горизонты исследований в данной области.

Это открытие имеет значительный потенциал для развития науки и технологий. Квантовые спиновые жидкости могут стать идеальной средой для исследований майорановских фермионов — элементарных частиц, обладающих уникальными свойствами, которые могут лечь в основу квантовых компьютеров и высокочувствительных сенсоров. Результаты данной работы опубликованы в журнале Inorganic Chemistry, что подчеркивает её значимость для научного сообщества.