Согласно общепринятому пониманию, если взаимодействия изотропны (где возможны все направления спинов), это явление может происходить, если спины расположены в треугольной геометрии и взаимодействия между ними являются антиферромагнитными, способствующими антипараллельному выравниванию спинов. Для трех атомов, образующих углы треугольника, электронный спин одного атома не может быть одновременно ориентирован антипараллельно спину двух других атомов. В реальных материалах, которые содержат треугольные элементы, связанные антиферромагнитными взаимодействиями, это «разочарование» может помешать спинам остановиться в определенной ориентации даже при абсолютном нуле температуры, вместо этого они движутся коллективно, как атомы в жидкости.
Напротив, ферромагнитные взаимодействия не вызывают расстройства в изотропных магнитах, потому что всегда может происходить взаимно параллельное выравнивание спинов. По этим причинам только несколько изотропных материалов были предложены в качестве кандидатов на спиновые жидкости.Монокристаллы со сложными магнитными взаимодействиямиТеперь группа, возглавляемая профессором Беллой Лейк, произвела и исследовала первые монокристаллы оксида кальция-хрома (Ca10Cr7O28).
Оксид кальция-хрома состоит из так называемых решеток Кагоме, напоминающих узор из треугольников и шестиугольников, сотканных из японского плетения. В результате в этом материале развивается сложный набор изотропных магнитных взаимодействий, состоящий не только из антиферромагнитных взаимодействий, но и из гораздо более сильных ферромагнитных взаимодействий, которые согласно традиционному пониманию должны предотвращать существование поведения спиновой жидкости. Эксперименты по магнитному рассеянию и рассеянию нейтронов, проведенные в Германии, Франции, Англии и США, а также эксперименты по мюонной спектроскопии, проведенные в Швейцарии, однако, показали, что спины в этих образцах сохраняют свое коллективное движение даже при температурах до 20 милликельвинов и ведут себя как квантовая спиновая жидкость.Конкуренция — ключ к успеху
Физик-теоретик профессор Йоханнес Ройтер из HZB теперь смог расширить теоретическую модель спиновых жидкостей с помощью этих экспериментальных подсказок. Он использовал численное моделирование, чтобы показать, как различные магнитные взаимодействия в оксиде кальция и хрома конкурируют друг с другом и поддерживают динамику спинов.
Ожидается больше кандидатов на прядильные жидкости«Мы эмпирически доказали, что интересные квантовые состояния, такие как спиновые жидкости, также могут возникать в значительно более сложных кристаллах с различными комбинациями магнитных взаимодействий», — говорит доктор Кристиан Бальц, ведущий автор работы. Лейк также объясняет: «Эта работа расширяет наше понимание магнитных материалов, а также показывает нам, что существует потенциально гораздо больше кандидатов на роль спиновых жидкостей, чем ожидалось. Это может быть важно для развития квантовых компьютеров в будущем, поскольку спиновые жидкости являются одной из возможные строительные блоки для переноса мельчайшей единицы квантовой информации, известной как кубит ».