Международная исследовательская группа, в том числе Гельмгольц-Центр Дрезден-Россендорф (HZDR) — открыл квантовое состояние, которое можно описать таким образом. Ученым удалось охладить специальный материал до температуры, близкой к абсолютному нулю. Они обнаружили, что центральное свойство атомов – их расположение – не «замерзало», как обычно, а оставалось в «жидком» состоянии.
В квантовые материалы, электроны с необычной интенсивностью взаимодействуют как друг с другом, так и с атомами кристаллической решетки. Эта тесная связь производит мощные квантовые эффекты, которые влияют на микроскопические и макроскопические уровни. Эти явления придают квантовым материалам необычайные свойства. Например, при низких температурах они могут передавать электроэнергию без потерь. Зачастую даже небольших изменений температуры, давления или электрического напряжения достаточно, чтобы существенно изменить поведение материала.
Профессор Йохен Возница из Дрезденской магнитной лаборатории высокого поля (HLD) в HZDR сказал: «В принципе, магниты также можно рассматривать как квантовые материалы; в конце концов, магнетизм основан на собственном спине электронов в материале. В некотором смысле эти спины могут вести себя как жидкость».
«Когда температура падает, эти неупорядоченные вращения могут замерзнуть, так же, как вода замерзает в лед».
«Например, некоторые виды Магниты, так называемые ферромагнетики, немагнитны выше точки «замерзания», или, точнее, точки упорядочения. Только когда они опускаются ниже этого уровня, они могут стать постоянными магнитами».
В этом исследовании ученые стремились открыть квантовое состояние, в котором расположение атомов, связанное со спинами, не является упорядоченным даже при сверхнизких температурах – подобно жидкости, которая не затвердевает даже при сильном холоде.
Чтобы достичь этого состояния, исследовательская группа использовала уникальное вещество — смесь празеодима, циркония и кислорода. Они считали, что характеристики кристаллической решетки этого материала позволят спинам электронов уникальным образом взаимодействовать со своими орбиталями вокруг атомов.
Профессор Сатору Накацудзи из Токийского университета сказал: «Однако обязательным условием было наличие кристаллов исключительной чистоты и качества. Потребовалось несколько попыток, но в конечном итоге команде удалось получить кристаллы, достаточно чистые для эксперимента: в криостате, своего рода супертермосе, эксперты постепенно охладили образец до 20 милликельвинов – всего одной пятидесятой градуса. выше абсолютного нуля. Чтобы увидеть, как образец отреагировал на этот процесс охлаждения и внутри магнитное поле, они измерили, насколько он изменился в длине. В другом эксперименте группа зафиксировала, как кристалл реагировал на ультразвуковые волны, проходящие через него».
Доктор Сергей Жерлицын, эксперт HLD по ультразвуковым исследованиям, описывает: «Если бы спины были упорядочены, это должно было бы вызвать резкое изменение в поведении кристалла, например, внезапное изменение длины. Однако, как мы заметили, ничего не произошло! Не было никаких внезапных изменений ни в длине, ни в ее реакции на ультразвуковые волны".
«Явное взаимодействие спинов и орбиталей предотвратило упорядочение, поэтому атомы оставались в жидком квантовом состоянии – такое квантовое состояние наблюдалось впервые. Дальнейшие исследования в магнитных полях подтвердили это предположение».
Йохен Возница спекулирует, «Результат фундаментального исследования однажды может иметь практическое значение: в какой-то момент мы сможем использовать новое квантовое состояние для разработки чувствительных квантовых датчиков. Однако для этого нам еще предстоит придумать, как систематически генерировать возбуждения в этом состоянии. Квантовое зондирование считается многообещающей технологией будущего. Поскольку их квантовая природа делает их чрезвычайно чувствительными к внешним раздражителям, квантовые датчики могут регистрировать магнитные поля или температуру с гораздо большей точностью, чем обычные датчики».
Справочник журнала:
- Тан Н., Гриценко Ю., Кимура К. и др. Спин-орбитальное жидкое состояние и метамагнитный переход жидкость–газ на решетке пирохлора. Нат. Фис. (2022). ДОИ: 10.1038/s41567-022-01816-4
