Ученые впервые создали спиновую жидкость — новое состояние материи, которое изменит физику

Спиновая жидкость — открытие, за которым физики гнались около полувека. Возможность существования подобного состояния материи предсказал нобелевский лауреат Филип Андерсон в 1973 году. В 2012 году ученые Массачусетского технологического института доказали, что такая материя действительно может существовать.

Наконец, физики из Гарвардского университета при помощи коллег из MIT и Инсбрукского университета впервые смогли создать спиновую жидкость в лаборатории.

Что такое спиновая жидкость?

Стоит сразу уточнить — несмотря на свое название, это состояние материи на самом деле не имеет ничего общего с жидкостями. Это магнитное состояние вещества, которое открывает перед учеными невероятные перспективы — в первую очередь, в области квантовых вычислений.

Все твердые тела состоят из атомов и электронов. Магнетизм возникает из-за свойства электронов, которые называются спином. Спины могут смотреть «вверх» или «вниз» — при этом они взаимодействуют между собой и «хотят» выровняться относительно друг друга. В зависимости от различного взаимодействия между спинами, возникают разные типы упорядочения магнитов — ферромагнитное и антиферромагнитное.

Если спины смотрят в одну сторону, мы получим ферромагнетик. По этому принципу работает компас. Если спины направлены в разные стороны — перед нами антиферромагнетик.

Однако спиновая жидкость не обладает таким порядком. В ней электроны объединены не в пары, которые выравнивают друг друга, а в треугольники, что не дает им стабилизироваться в определенном направлении даже при значительном изменении температуры — например, при абсолютном нуле. Таким образом возникает квантовая запутанность — из-за разной направленности трех электронов они не могут осесть в состоянии покоя, постоянно заставляя друг друга менять направление.

Как исследователи смогли создать спиновую жидкость?

В природе существует материал, в котором действительно существует спиновая жидкость — это гербертсмитит. Однако до сих пор ученым не удавалось создать ее в лабораторных условиях.

«Это особенный момент для нашей области науки. Наконец появилась возможность потрогать и потолкать это необычное состояние, управлять им, чтобы понять его свойства. Это новое состояние материи, которое ранее люди никогда не наблюдали», — говорит Михаил Лукин, физик из Гарвардского университета и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Science.

Для создания спиновой жидкости ученые использовали программируемый квантовый симулятор, который ранее позволил смоделировать квантовую спиновую модель и обнаружить новые квантовые фазовые переходы.

Теперь исследователи использовали платформу из 219 атомов, разместив их на решетке кагоме — шестиугольной мозаике — и проследив за их квантовым взаимодействием. В результате у них получились «струны», которые соединяли всю структуру воедино. Таким образом проявилась квантовая запутанность между атомами, что и означало появление нового состояния материи.

Ученые уверены, что спиновая жидкость может значительно продвинуть создание квантовых компьютеров. Дело в том что кубиты  — ключевые компоненты, из которых состоят процессоры квантовых компьютеров — очень нестабильны. Для работы им нужна температура, близкая к абсолютному нулю, а их квантовую связь может нарушить даже самое минимальное вмешательство извне.

Спиновая жидкость поможет создать более устойчивые кубиты, благодаря чему работа квантового компьютера будет намного стабильнее, а ученые смогут создавать все более сложные системы.

Янг Ли, исследователь из MIT, также рассчитывает, что спиновая жидкость станет основой сверхпроводников нового поколения. Современные сверхпроводники требуют очень низкой температуры для стабильной работы. Свойства спиновой жидкости помогут разработать материалы, которые не потеряют свойства сверхпроводимости даже при относительно теплой температуре.