Исследователи, в том числе физики из Кембриджского университета, измерили первые сигнатуры этих дробных частиц, известных как майорановские фермионы, в двумерном материале со структурой, подобной графену. Их экспериментальные результаты успешно согласуются с одной из основных теоретических моделей квантовой спиновой жидкости, известной как модель Китаева.
Результаты опубликованы в журнале Nature Materials.Квантовые спиновые жидкости — это загадочные состояния вещества, которые, как считается, скрываются в определенных магнитных материалах, но не были окончательно обнаружены в природе.
Наблюдение одного из их самых интригующих свойств — электронного расщепления или фракционирования — в реальных материалах — это прорыв. Полученные майорановские фермионы можно использовать в качестве строительных блоков квантовых компьютеров, которые будут намного быстрее, чем обычные компьютеры, и смогут выполнять вычисления, которые невозможно было бы сделать иначе.«Это новое квантовое состояние материи, которое было предсказано, но не наблюдалось ранее», — сказал доктор Йоханнес Нолле из Кембриджской лаборатории Кавендиша, один из соавторов статьи.
В типичном магнитном материале каждый электрон ведет себя как крошечный стержневой магнит. А когда материал охлаждается до достаточно низкой температуры, «магниты» упорядочиваются на больших расстояниях, так что, например, все северные магнитные полюса указывают в одном направлении.
Но в материале, содержащем спиновую жидкость, даже если этот материал охладить до абсолютного нуля, стержневые магниты не будут выравниваться, а образуют запутанный суп, вызванный квантовыми флуктуациями.«До недавнего времени мы даже не знали, как будут выглядеть экспериментальные отпечатки пальцев квантовой спиновой жидкости», — сказал соавтор статьи доктор Дмитрий Коврижин, также из группы теории конденсированных сред Кавендишской лаборатории. «Одна вещь, которую мы сделали в предыдущей работе, — это спросить, если бы я проводил эксперименты с возможной квантовой спиновой жидкостью, что бы я наблюдал?»
Соавторы Нолле и Коврижина во главе с доктором Арнабом Банерджи и доктором Стивеном Наглером из Окриджской национальной лаборатории в США использовали методы рассеяния нейтронов для поиска экспериментальных доказательств фракционирования в хлориде альфа-рутения (a-RuCl3). Исследователи проверили магнитные свойства порошка a-RuCl3, осветив его нейтронами и наблюдая за рисунком ряби, которую нейтроны производили на экране, когда они рассеивались от образца.Обычный магнит создавал бы отчетливые резкие линии, но оставалось загадкой, какой узор образуют майорановские фермионы в квантовой спиновой жидкости.
Теоретическое предсказание различных сигнатур, сделанное Нолле и его сотрудниками в 2014 году, хорошо согласуется с широкими горбами вместо резких линий, которые экспериментаторы наблюдали на экране, что впервые дает прямое свидетельство квантовой спиновой жидкости и дробления электронов на две части. размерный материал.«Это новое дополнение к короткому списку известных квантовых состояний материи», — сказал Нолле.
«Это важный шаг для нашего понимания квантовой материи», — сказал Коврижин. «Приятно иметь еще одно новое квантовое состояние, которого мы никогда раньше не видели — оно дает нам новые возможности для пробования новых вещей».