Вчені вперше створили спінову рідину — новий стан матерії, який змінить фізику

Спінова рідина — відкриття, за яким фізики гналися близько пів століття. Можливість існування такого стану матерії передбачив нобелівський лауреат Філіп Андерсон у 1973 році. У 2012 році вчені Массачусетського технологічного інституту довели, що такий вид матерії дійсно може існувати.

Нарешті, фізики з Гарвардського університету за допомогою колег із MIT та Інсбруцького університету вперше змогли створити спінову рідину в лабораторії.

Що таке спінова рідина?

Варто одразу уточнити — незважаючи на свою назву, цей стан матерії насправді не має нічого спільного з рідинами. Це магнітний стан речовини, який відкриває перед вченими неймовірні перспективи — насамперед у галузі квантових обчислень.

Усі тверді тіла складаються з атомів та електронів. Магнетизм виникає через властивість електронів, які називаються спіном. Спіни можуть дивитися «вгору» або «вниз» — при цьому вони взаємодіють між собою і «хочуть» вирівнятися відносно один одного. Залежно від різної взаємодії між спінами, виникають різні типи впорядкування магнітів — феромагнітне та антиферомагнітне.

Якщо спіни дивляться в один бік, ми отримаємо феромагнетик. За цим принципом працює компас. Якщо спіни спрямовані у різні боки — перед нами антиферомагнетик.

Однак спінова рідина не має такого порядку. У ній електрони об'єднані не в пари, які вирівнюють один одного, а в трикутники, що не дає їм стабілізуватися у певному напрямку навіть за значної зміни температури — наприклад, за абсолютного нуля. Так виникає квантова заплутаність — через різну спрямованість трьох електронів вони не можуть осісти в стані спокою, постійно змушуючи один одного змінювати напрямок.

Як дослідники змогли створити спінову рідину?

У природі існує матеріал, у якому дійсно є спінова рідина — це гербертсмітит. Однак досі вченим не вдавалося створити її в лабораторних умовах.

«Це особливий момент для нашої галузі науки. Нарешті з’явилася можливість доторкнутися і поштовхати цей незвичайний стан, керувати ним, щоб зрозуміти його властивості. Це новий стан матерії, який раніше люди ніколи не спостерігали», — каже Михайло Лукін, фізик із Гарвардського університету та провідний автор дослідження, опублікованого в журналі Science.

Для створення спінової рідини вчені використали програмований квантовий симулятор, який раніше дав можливість змоделювати квантову спінову модель і виявити нові квантові фазові переходи.

Тепер дослідники використовували платформу з 219 атомів, розмістивши їх на решітці кагоме — шестикутній мозаїці — і простеживши їхню квантову взаємодією. В результаті у них вийшли «струни», які поєднували всю структуру воєдино. Таким чином виявилася квантова заплутаність між атомами, що означало появу нового стану матерії.

Вчені впевнені, що спінова рідина може значно просунути створення квантових комп’ютерів. Річ у тім, що кубіти — ключові компоненти, з яких складаються процесори квантових комп’ютерів — дуже нестабільні. Для роботи їм потрібна температура, близька до абсолютного нуля, а їхній квантовий зв’язок може порушити навіть мінімальне втручання ззовні.

Спінова рідина допоможе створити стійкіші кубіти, завдяки чому робота квантового комп’ютера буде набагато стабільнішою, а вчені зможуть створювати складніші системи.

Янг Лі, дослідник із MIT, також розраховує, що спінова рідина стане основою надпровідників нового покоління. Сучасні надпровідники потребують дуже низької температури для стабільної роботи. Властивості спінової рідини допоможуть розробити матеріали, які не втратять властивості надпровідності навіть за відносно теплої температури.