В этом материале магнитные элементы постоянно колеблются, что приводит к экзотическому состоянию жидкостного магнетизма, называемому «квантовой спиновой жидкостью». Это контрастирует с обычным магнетизмом, обнаруживаемым в материалах, называемых ферромагнетиками, где все магнитные силы выравниваются в одном направлении, усиливая друг друга, или антиферромагнетиках, где соседние магнитные элементы выравниваются в противоположных направлениях, что приводит к полному устранению общее магнитное поле материала.Хотя состояние спиновой жидкости ранее наблюдалось в гербертсмитите, подробный анализ того, как электроны материала реагируют на свет, никогда не проводился — ключ к определению, какая из нескольких конкурирующих теорий о материале верна.Теперь команда из Массачусетского технологического института, Бостонского колледжа и Гарвардского университета успешно провела эти измерения.
Новый анализ представлен в статье в Physical Review Letters, соавтором которой является Нух Гедик, доцент кафедры физики Биденхарна по развитию карьеры в Массачусетском технологическом институте, аспирант Даниэль Пилон, постдок Чун Хунг Луи и еще четыре человека.Их измерения с использованием лазерных импульсов длительностью всего одну триллионную долю секунды выявили характерную черту оптической проводимости состояния спиновой жидкости, которая отражает влияние магнетизма на движение электронов. Это наблюдение подтверждает ряд теоретических предсказаний, которые ранее не демонстрировались экспериментально. «Мы думаем, что это хорошее доказательство, — говорит Гедик, — и оно может помочь уладить довольно большие споры в исследованиях спиновой жидкости».«Теоретики выдвинули ряд теорий о том, как в гербертсмитите может образоваться спиновая жидкость», — объясняет Пилон. «Но на сегодняшний день не было эксперимента, который бы прямо различал их.
Мы считаем, что наш эксперимент предоставил первое прямое свидетельство реализации одной из этих теоретических моделей в гербертсмитите».Концепция квантовых спиновых жидкостей была впервые предложена в 1973 году, но первые прямые доказательства существования такого материала были обнаружены только в последние несколько лет. Новые измерения помогают прояснить фундаментальные характеристики этой экзотической системы, которая, как считается, тесно связана с происхождением высокотемпературной сверхпроводимости.Гедик говорит: «Хотя на данном этапе трудно предсказать какие-либо потенциальные применения, фундаментальные исследования этой необычной фазы материи могут помочь нам решить некоторые очень сложные проблемы физики, в частности, высокотемпературную сверхпроводимость, что в конечном итоге может привести к важным приложениям. . " Кроме того, Пилон говорит: «Эта работа также может быть полезна для развития квантовых вычислений».
Леон Балентс, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который не принимал участия в этой работе, говорит: «Если наблюдаемая оптическая проводимость в этих измерениях действительно является внутренней, это важный и захватывающий результат, который будет очень важен для понимания природы спин-жидкостного состояния ».Балентс добавляет, что для подтверждения этого результата необходима дальнейшая работа, но говорит, что «это, несомненно, захватывающее и важное измерение, которое, я надеюсь, будет продолжено за счет расширения диапазона частот и магнитного поля в будущем».
Работа была поддержана Министерством энергетики США, в ней также участвовали Янг Ли и Тиан-Хэн Хан из Массачусетского технологического института, Дэвид Шрекенхамер и Уилли Дж. Падилла из Бостонского колледжа и аспирант Алекс Дж.
Френзель из Массачусетского технологического института и Гарварда.