Спінова рідина

Гіпотеза про альтернативний магнітному стані речовини — спінової рідини — знайшла довгоочікуване підтвердження в експерименті. Нове фундаментальне відкриття може зіграти велику роль у дослідженні високотемпературної надпровідності і розробці комп’ютерних процесорів нового типу.

Теорія, сорок років тому передбачила нове магнітне стан речовини — спиновую рідина — знайшла довгоочікуване підтвердження в експерименті. Тепер до двох відомих «класичним» типом магнетизму (ферромагнетизму і антиферромагнетизму) додався ще один, обумовлений не порядком магнітних моментів атомів, іонів або електронів (як, наприклад, у кристалах), а «рідким» поведінкою спінів — власних, не пов’язаних з рухом у просторі, моментів імпульсів елементарних частинок.

Феномен спінової рідини був вперше теоретично передбачений в 1973 році лауреатом Нобелівської премії з фізики Філіпом Андерсоном.

З точки зору класичної фізики і навіть квантової теорії електромагнетизму спінова рідина — явище дуже незвичайне, але повіряти квантовомеханический світ (а що лежить в основі магнетизму спін має квантову природу) звичними уявленнями так само марно, як міряти «Алісу в Задзеркаллі» категоріями реалістичної прози.

На відміну від класичної, що складається з молекул речовини рідини, спінова являє собою сукупність перебувають у постійному і неупорядоченном русі спінів частинок. Звичайно, порівняння з рідиною тут умовне і засноване не на фізичному схожості феноменів, а на формальної аналогії, адже в спінової рідини переміщаються не самі частинки, а їхні спини, або моменти імпульсів.

Як таке можливо, адже спін не пов’язаний з переміщенням частинки в просторі, а є її внутрішньої квантової характеристикою — її власним, не пов’язаним з рухом, моментом імпульсу?

Власне, в цьому і утримувався зміст теоретичного передбачення, що описує нове магнітне стан матерії, яка характеризується колективним зміною — «перетіканням» — спінів. Це перетікання описується за допомогою віртуальних беззарядовых частинок — спинонов, що ведуть себе як рідина.

Незважаючи на віртуальність (точніше, віртуальний спосіб опису), поведінка спінової рідини може впливати на вимірювані магнітні та інші характеристики речовини, так як спін, хоч він і не пов’язаний з реальним обертанням і переміщенням частинки, породжує певний магнітний момент. Але якщо магнітні моменти атомів, що складають кристалічну решітку феромагнетиків, впорядковані, а в разі антиферомагнетику спрямовані протилежно, то в спінової рідини — третьому типі магнетизму — магнітна орієнтація частинок не фіксована, але постійно змінюється, «тече», ніколи не упорядочиваясь остаточно (хоча, згідно теорії, групи впорядкованих магнітних моментів, «фрактальні магнітні візерунки», в спінової рідини і виникають).

Довгий час спінова рідина була предметом виключно теоретичних спекуляцій, і було незрозуміло навіть, які конкретно матеріали можуть продемонструвати передбачений феномен.

В кінці 80-х років минулого століття той же Філіп Андерсон припустив, що потенційними кандидатами, демонструють «рідкий спиновый магнетизм», можуть бути антиферомагнетики (в антиферромагнетиках магнітні моменти окремих частинок орієнтовані не паралельно в одному напрямку, а назустріч один одному). Але тільки в останні кілька років, використовуючи нові підходи в моделюванні (одна з моделей спінової рідини була, наприклад, представлена в статті, опублікованій в минулому році в Science) і потужні комп’ютери, фізики зуміли звузити область пошуків і зупинилися на цинксодержащем паратакамите (рідкісний мінерал гербертсмитит), кристалічна решітка якого нагадує візерунок японської плетінки — кагоме. Атоми міді гербертсмитита розташовані в кутах трикутників такий кагоме-решітки.

Гербертсмитит є антиферромагнетиком, і спини електронів в двох кутах трикутників спрямовані в протилежні сторони — одне вгору, інше вниз. У ситуації, коли магнітні моменти двох електронів є фіксованими, електрон у третьому кутку решітки виявляється аутсайдером. Мовою фізики конденсованих станів (розділ фізики, що описує поведінку складних середовищ, в яких групове поведінка не сводимо до поведінки окремих частинок і описується через віртуальні частинки) такі опинилися поза ладу електрони «фрустрируют», і їх спини набувають рухливість: кристал зберігає всі властивості твердого речовини, але в магнітному відношенні демонструє плинність —

стан, який можна визначити як ще одне магнітне стан матерії.

Дослідити гербертсмитит як потенційний матеріал, що демонструє такий стан, ще в 2007 році запропонувала група з Массачусетського технологічного інституту, керована Деніелом Носерой і Янгом Лі. Однак продемонструвати рідкий спиновый магнетизм виявилося в технічному відношенні справою дуже непростою. По-перше, для цього треба було виростити досить великий і надчистий монокристал паратакамита. По-друге, придумати надійний спосіб, яким можна детектувати у цьому матеріалі плинність спінів.

Інша група М. А. де Врие і Дж. Санчеса-Бенітеса, що працює в Единбурзькому університеті, в 2008 році повідомила, що їй вдалося детектувати спиновую рідина, вимірюючи магнітну сприйнятливість і теплову ємність кристала паратакамита. З їх висновками погодилися Василь Шагінян (Петербурзький інститут ядерної фізики) і математик Костянтин Попов (Науковий центр Урв РАН, Сиктивкар) у своїй інтерпретації експериментальних даних, отриманих в Единбурзі.

Між тим для остаточного підтвердження гіпотези, передбачивши нове магнітне стан речовини, знадобилося ще чотири роки, і остаточну крапку в історії уловлення «рідких спінів» поставила стаття, опублікована на цьому тижні в Nature і підписана Деніелом Носерой, Янгом Лі та їх колегами по МІТ.

Цій групі вдалося першої виготовити великий кристал гербертсмитита і, використовуючи метод розсіювання нейтронів на атоми кристалічної решітки, продемонструвати специфічні ефекти магнітного поведінки кристала, підтверджують, що магнітні моменти електронів в досліджуваному зразку «течуть» і фрактализуются, тобто демонструють квантове групове поведінка, формуючи локальні намагнічені області.

Про практичне застосування «рідких спінів» говорити поки що дуже рано, але в перспективі відкриття нового магнітного стану речовини може зіграти велику роль у дослідженні високотемпературної надпровідності і розробці комп’ютерних процесорів нового типу, що використовують екзотичні поки квантові ефекти.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *