Международная группа исследователей, в состав которой входили исследователи из Кембриджского университета, обнаружила доказательства существования необычного и загадочного состояния материи, проявляющегося в материале одноатомной толщины. Это состояние, известное под названием квантовой спиновой жидкости, было предсказано в теории в 1973 году, а первые проявления материи, находящейся в этом состоянии внутри обычных неплоских материалов были получены экспериментальным путем в 2012 году. Появление квантовой спиновой жидкости обуславливается «жидким» поведением спинов (моментов вращения) частиц, и ученые считают, что в материи, находящееся в таком состоянии, электроны, считавшиеся ранее неделимыми частицами, расщепляются на меньшие части.
Исследовательская группа использовала двухмерный материал, структура которого напоминает структуру графена. И, при помощи некоторых уловок, в этом материале были зарегистрированы четкие подписи присутствия так называемых майорановских фермионов. Результаты этого эксперимента, объединенные с некоторыми основными квантовыми теориями, указывают на присутствие квантовой спиновой жидкости, соответствующей теоретической модели Китаева.
В среде обычного магнитного материала электроны ведут себя подобно крошечным магнитам. Когда такие материала охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, направления всех «электронных магнитов» упорядочиваются и указывают в одном направлении. В материале, содержащем квантовую спиновую жидкость, даже при охлаждении, направления магнитных моментов не выравниваются и это обуславливается влиянием квантовых колебаний.
В экспериментах, которые проводились при участии ученых из Национальной лаборатории Ок-Ридж, ученые использовали технологии рассеивания нейтронов для получения данных о фракционализации электронов в двухмерных кристаллах хлорида рутения (RuCl3). Этот метод заключается в исследовании магнитных свойств кристаллов путем их «освещения» потоком нейтронов и регистрации ряби, подобной интерференционной ряби, которую создают на поверхности датчика отклонившиеся от своего пути нейтроны.
Обычный магнитный материал оставил бы на поверхности датчика маленькое пятно от нейтронов с четкими границами. Однако, наличие квантовой спиновой жидкости и майорановских фермионов в материале приводит к рассеиванию нейтронного луча. Именно это зарегистрировали ученые и полученные ими результаты отлично вписываются в существующие теоретические модели, что можно считать достаточно убедительным доказательство факта существования квантовой спиновой жидкости в двумерных материалах.
Наблюдение весьма интригующего явления раскола электронов, называемого фракционализацией, в реальном двумерном материале может стать основой для технологий генерации и практического использования майорановских фермионов. Эти квазичастицы, состоящие из «обломков» электронов в данном случае, могут стать основой квантовых компьютеров, квантовых коммуникационных устройств и других технологий, которые невозможно реализовать другими путями.
«Это является важным шагом к пониманию нами природы квантовой материи» — пишут исследователи, — «И наблюдение за материей, находящейся в новом квантовом состоянии — это не просто забава, это дает нам в руки массу возможностей и массу новых технологий».
