- 23,625
- 46
- 8 Ноя 2022
Что общего у пчелиных сот и стабильных квантовых процессоров?
Обычные магниты ведут себя предсказуемо: при охлаждении их крошечные магнитные моменты выстраиваются в строгом порядке, словно солдаты на параде. Но физики давно подозревали, что при определённых условиях магнетизм может отказаться «успокаиваться» даже при экстремально низких температурах. Это беспокойное состояние называется квантовой спиновой жидкостью, и оно способно открыть дорогу к принципиально новым квантовым технологиям — куда более стабильным, чем нынешние хрупкие системы.
Исследователи из Окриджской национальной лаборатории создали и детально изучили новый магнитный материал, который приближает эту странную возможность к реальности. Пока он не пересёк финишную черту, но подобрался к ней вплотную.
Главная сложность с квантовыми спиновыми жидкостями в том, что природа предпочитает порядок. В обычных магнитных материалах неспаренные электроны ведут себя как крошечные компасы и в конце концов выстраиваются друг относительно друга. Чтобы предотвратить это выравнивание, взаимодействия между спинами должны конкурировать очень специфическим образом. Почти двадцать лет назад физик Алексей Китаев предположил, что решётка магнитных атомов в форме пчелиных сот может создать именно такую конкуренцию, но воплотить эту идею в реальном материале оказалось невероятно сложно.
Команда сосредоточилась на соединении арсената кобальта и калия, где атомы кобальта образуют двумерную сотовую сеть. Для его создания потребовалась необычайная аккуратность: при слишком сильном нагреве соединение распадалось, не успев сформировать кристаллы. Учёные решили эту проблему, медленно нагревая тщательно подготовленный раствор при низких температурах, что позволило кристаллам вырасти без разложения.
Химический анализ подтвердил точные пропорции калия, кобальта, мышьяка и кислорода. Электронная микроскопия и дифракция показали, что сотовая решётка действительно существует, хотя и не идеально симметрична. Эта небольшая деформация оказалась важной: измерения теплоёмкости и магнетизма показали, что при охлаждении спины кобальта всё же фиксируются в упорядоченном состоянии ниже примерно 14 кельвинов (около минус 259 градусов Цельсия), а не остаются текучими, как должно быть в квантовой спиновой жидкости.
Эксперименты по рассеянию нейтронов дали наиболее чёткую картину происходящего внутри кристалла. Компьютерное моделирование на основе измеренной структуры объяснило, почему спины всё-таки замерзают: экзотические «китаевские» взаимодействия присутствуют, но они слабее обычных магнитных сил. Иными словами, физика, предсказанная теорией, есть — но её недостаточно, чтобы доминировать.
На первый взгляд, недотянуть до квантовой спиновой жидкости — разочарование. Однако в этой области приблизиться к цели часто ценнее, чем случайно попасть в неё. Материал находится вблизи точки перелома. Расчёты показывают, что небольшое изменение химического состава, сжатие под давлением или применение сильных магнитных полей может сместить баланс между конкурирующими взаимодействиями.
Если этот баланс удастся нарушить, награда будет огромной. Ожидается, что квантовые спиновые жидкости станут носителями необычных коллективных возбуждений — так называемых майорановских фермионов. Это не отдельные частицы, а общие квантовые движения, распределённые по всему материалу. Поскольку такие возбуждения естественным образом защищены от шума, они считаются перспективными строительными блоками для будущих квантовых компьютеров и сенсоров.
Сотовая структура, которую создали исследователи, пока не содержит квантовую спиновую жидкость, но предлагает практический путь к ней. И уже одно это делает работу ценным шагом вперёд. Исследование опубликовано в журнале Inorganic Chemistry.
Обычные магниты ведут себя предсказуемо: при охлаждении их крошечные магнитные моменты выстраиваются в строгом порядке, словно солдаты на параде. Но физики давно подозревали, что при определённых условиях магнетизм может отказаться «успокаиваться» даже при экстремально низких температурах. Это беспокойное состояние называется квантовой спиновой жидкостью, и оно способно открыть дорогу к принципиально новым квантовым технологиям — куда более стабильным, чем нынешние хрупкие системы.
Исследователи из Окриджской национальной лаборатории создали и детально изучили новый магнитный материал, который приближает эту странную возможность к реальности. Пока он не пересёк финишную черту, но подобрался к ней вплотную.
Главная сложность с квантовыми спиновыми жидкостями в том, что природа предпочитает порядок. В обычных магнитных материалах неспаренные электроны ведут себя как крошечные компасы и в конце концов выстраиваются друг относительно друга. Чтобы предотвратить это выравнивание, взаимодействия между спинами должны конкурировать очень специфическим образом. Почти двадцать лет назад физик Алексей Китаев предположил, что решётка магнитных атомов в форме пчелиных сот может создать именно такую конкуренцию, но воплотить эту идею в реальном материале оказалось невероятно сложно.
Команда сосредоточилась на соединении арсената кобальта и калия, где атомы кобальта образуют двумерную сотовую сеть. Для его создания потребовалась необычайная аккуратность: при слишком сильном нагреве соединение распадалось, не успев сформировать кристаллы. Учёные решили эту проблему, медленно нагревая тщательно подготовленный раствор при низких температурах, что позволило кристаллам вырасти без разложения.
Химический анализ подтвердил точные пропорции калия, кобальта, мышьяка и кислорода. Электронная микроскопия и дифракция показали, что сотовая решётка действительно существует, хотя и не идеально симметрична. Эта небольшая деформация оказалась важной: измерения теплоёмкости и магнетизма показали, что при охлаждении спины кобальта всё же фиксируются в упорядоченном состоянии ниже примерно 14 кельвинов (около минус 259 градусов Цельсия), а не остаются текучими, как должно быть в квантовой спиновой жидкости.
Эксперименты по рассеянию нейтронов дали наиболее чёткую картину происходящего внутри кристалла. Компьютерное моделирование на основе измеренной структуры объяснило, почему спины всё-таки замерзают: экзотические «китаевские» взаимодействия присутствуют, но они слабее обычных магнитных сил. Иными словами, физика, предсказанная теорией, есть — но её недостаточно, чтобы доминировать.
На первый взгляд, недотянуть до квантовой спиновой жидкости — разочарование. Однако в этой области приблизиться к цели часто ценнее, чем случайно попасть в неё. Материал находится вблизи точки перелома. Расчёты показывают, что небольшое изменение химического состава, сжатие под давлением или применение сильных магнитных полей может сместить баланс между конкурирующими взаимодействиями.
Если этот баланс удастся нарушить, награда будет огромной. Ожидается, что квантовые спиновые жидкости станут носителями необычных коллективных возбуждений — так называемых майорановских фермионов. Это не отдельные частицы, а общие квантовые движения, распределённые по всему материалу. Поскольку такие возбуждения естественным образом защищены от шума, они считаются перспективными строительными блоками для будущих квантовых компьютеров и сенсоров.
Сотовая структура, которую создали исследователи, пока не содержит квантовую спиновую жидкость, но предлагает практический путь к ней. И уже одно это делает работу ценным шагом вперёд. Исследование опубликовано в журнале Inorganic Chemistry.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
