В 1987 году Пол В. Андерсон (Paul W. Anderson), Лауреат Нобелевской премии в области физики, выдвинул предположение, что явление высокотемпературной сверхпроводимости может быть связано с экзотическим квантовым состоянием материи, известным как квантовая спин-жидкость. В таком состоянии магнитные моменты частичек материи ведут себя подобно жидкости, однако, такая жидкость не “замерзает” даже при температуре абсолютного нуля. Подобные экзотические состояния материи считаются перспективными кандидатами для их использования в квантовых вычислительных системах, однако, до последнего момента времени ученым не удавалось получить спин-жидкость, подходящую для ее использования в различных квантовых технологиях.
И лишь недавно, исследователям из университета Аальто, Финляндия, бразильского Центра физических исследований (CBPF), технического университета Брауншвейга и университета Нагои впервые удалось создать сверхпроводящую квантовую спин-жидкость, свойства которой максимально приближены к свойствам теоретической жидкости, предсказанным Полом Андерсоном. А создание квантовой спин-жидкости стало возможным благодаря разработанной в университете Аальто технологии управления свойствами некоторых магнитных материалов.
Большинство из существующих высокотемпературных сверхпроводников имеют в своей основе оксид меди, в которой ионы меди формируют квадратную кристаллическую решетку, а магнитные моменты соседних ионов направлены в противоположных направлениях. Когда такая стройная кристаллическая структура нарушается путем изменения степени окисления меди, материал становится сверхпроводником. Однако, замена обычных ионов меди на ионы, имеющие электронную структуру d10 и d0, превратила всю кристаллическую структуру в квантовую спин-жидкость.
“В будущем метод замены ионов d10/d0 может быть использован по отношению ко многим другим видам магнитных материалов, что позволит нам получить целый ряд новых материалов, обладающих уникальными квантовыми свойствами” – рассказывает Отто Мастонен (Otto Mustonen), исследователь из университета Аальто.
Для регистрации факта создания квантовой спин-жидкости и определения ее свойств ученые использовали технологию спин-спектроскопии. Эта технология основана на взаимодействии подобных электронам элементарных частиц, таких, как мюоны, с исследуемым материалом. Такой метод способен определить даже самые слабые магнитные поля, существующие в квантовом материале.
“В дополнение к сложному и высококачественному оборудованию, данный вид исследований требует совместной работы ученых-физиков, химиков и ученых других направлений” – рассказывает профессор Маарит Карпинен (Maarit Karppinen), – “Но совместными усилиями такой многопрофильной команды мы сможем изучить свойства квантовых спин-жидкостей и подойти вплотную к практическому созданию так называемого топологического квантового компьютера”.