Ученые открывают новое состояние материи: квантовая спиновая жидкость

Физики из Национальной лаборатории Ок-Риджа в Теннесси и Кембриджского университета вместе обнаружили новое состояние вещества. Инновационные результаты, сообщенные в журнале Природа подробно опишите наблюдения давно теоретизированного, но неуловимого состояния, известного как «квантовая спиновая жидкость», в котором электроны, по-видимому, распадаются на более мелкие кусочки.

«Это новое квантовое состояние материи, которое было предсказано, но ранее не наблюдалось», - сказал Йоханнес Кнолл, ученый из Кавендишской лаборатории в Кембридже и один из соавторов газеты, в пресс-релизе.

Любой, имеющий базовые знания физики, знает, что существует три основных состояния материи: твердые тела, жидкости и газы. Люди с небольшим количеством знаний могут знать о двух других классических состояниях: плазме (свободные заряженные частицы, которые составляют события высокой энергии), и коллоидах ("промежуточные" образуют два состояния одновременно, как масло).

Тем не менее, существует более десятка других состояний, которые наблюдаются только в очень малых масштабах или при очень феноменальных событиях. Одним из них является квантовая спиновая жидкость: хаотическое состояние, которое требует немного большего объяснения, прежде чем вы действительно сможете понять, что происходит.

Согласно квантовой механике, каждая частица может демонстрировать два вида момента импульса. Первый - это орбитальный момент импульса, а второй - спин. Грубая аналогия для этих двух соответствующих действий - планета, вращающаяся вокруг Солнца, демонстрирующая как орбиту, так и осевое вращение.

Когда система достигла серии взаимодействующих квантовых спинов, считается, что она находится в неупорядоченном состоянии так же, как и жидкая вода по сравнению с твердым льдом. Квантовая спиновая жидкость имеет аналогичное поведение, но при низких температурах. Вместо того, чтобы объединяться в единый паттерн, такой как соединение веществ в твердом состоянии, кусок материи, находящийся в квантовом вращении жидкости, будет продолжать действовать беспорядочно, как горячий суп. На самом деле активность настолько велика, что частицы на самом деле распадаются. Это сцена, которая противоречит именно тому, что вы ожидаете в холодных условиях.

В этом случае исследовательская группа наблюдала фракционные частицы, известные как майорановские фермионы, в двумерном материале, похожем на графен. То, что они наблюдали, было похоже на гипотетическую модель квантовой спиновой жидкости, известную как модель Китаева. Результаты наконец означают конец 40-летнего поиска этого состояния материи.

Более конкретно, новые наблюдения квантовой спиновой жидкости проливают свет на свойство, известное как расщепление электронов, которое однажды могло бы помочь в создании новых типов квантовых компьютеров, которые работают намного быстрее, чем современные машины, минуя пределы обычных материалов.

Такой прорыв - десятилетия в будущее. Тем не менее сам факт того, что мы смогли наблюдать новое состояние материи во плоти, является еще одним признаком того, что людям еще предстоит поцарапать поверхность, чтобы понять, как работает мир природы.