Група дослідників зі Швейцарії та Франції, а також фізики-теоретики з Канади і США, в тому числі з Університету Райса, вважають, що вони знайшли докази теоретизованого квантового явища під назвою «квантова спінова рідина». Це відкриття, що спостерігається в матеріалі під назвою пірохлор-станнат церію, може призвести до відкриттів у фундаментальній фізиці і відкрити двері для прориву в інших сферах, таких як квантові комп’ютери.
Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.
Квантова спінова рідина, якщо ви не знаєте, – це теоретичний особливий стан речовини, в якому крихітні магнітні частинки не осідають у фіксованому порядку. Вважається, що це може відбуватися навіть за найнижчих можливих температур.
Згідно з теорією, ці спіни можуть перебувати в постійно мінливих, взаємопов’язаних станах, які поводяться дивно, подібно до того, як це відбувається у квантовій механіці. Цей стан матерії також має властивості, що імітують взаємодію світла та частинок у Всесвіті. Однак довести цю теорію дотепер було дуже складно. З цією метою міжнародна команда розробила передові експерименти (наприклад, розсіювання нейтронів) і теоретичні моделі, щоб спробувати вперше спостерігати цей стан матерії. І, судячи з усього, вони виявилися успішними.
«Квазічастинки дробової матерії, які вже давно теоретично існують у квантових спінових рідинах, потребували значного прогресу в експериментальній роздільній здатності, щоб бути переконливо перевіреними в цьому типі матеріалу», – сказав Ромен Сібіль, керівник експериментальної групи в Інституті Пауля Шеррера в Швейцарії. «Експеримент з розсіювання нейтронів проводився на високоспеціалізованому спектрометрі в Інституті Лауе-Ланжевена в Греноблі, Франція, що дозволило нам отримати дані з надзвичайно високою роздільною здатністю», – додав він.
«Розсіювання нейтронів є добре відомим інструментом для аналізу поведінки спінів у магнітах, – додав Андрій Невідомський, доцент кафедри фізики та астрономії в університеті Райса, який провів теоретичний аналіз отриманих даних. – Однак розробити однозначний експеримент, який би доводив, що матеріал містить квантову спінову рідину, є складним завданням, – додав він.
У нашому сучасному розумінні квантової механіки електрони мають властивість, відому як спін. Це означає, що вони поводяться подібно до крихітних стрижневих магнітів. Коли електрони взаємодіють, їхні спіни вирівнюються або антивирівнюються (вирівнюються в протилежному напрямку). Однак це вирівнювання/невирівнювання може бути порушене в деяких матеріалах, таких як пірохлорид.
Це називається «магнітною фрустрацією» і може призвести до умов, коли, за словами дослідників, квантова механіка може бути створена цікавими способами, наприклад, створення квантових спінових рідин. Проте, попри назву, це явище може проявлятися в різних станах матерії, в тому числі і в твердих тілах.
Ефект настільки значний, пояснюють дослідники, що електрони можуть утворювати квантово-механічну суперпозицію, яка призводить до рідиноподібних кореляцій між спінами електронів, наче вони занурені в рідину. «На квантовому рівні електрони взаємодіють один з одним, випромінюючи і поглинаючи кванти світла, відомі як фотони. Аналогічно, у квантовій спіновій рідині взаємодія між спінонами описується в термінах обміну світлоподібними квантами», – сказав Невідомський.
Команда пояснила, що ці спінони можуть навіть «розмовляти» один з одним, обмінюючись хвилями, подібними до світлових, але набагато повільнішими. Ця взаємодія дещо схожа на те, як електрони обмінюються фотонами у квантовій теорії світла. «Після цього відкриття ще цікавіше шукати докази існування монопольних частинок в іграшковому всесвіті, сформованому зі спінів електронів у шматку матеріалу», – каже Невідомський.
Зараз команда шукає інші екзотичні частинки, такі як «візони», які можуть діяти як магнітні монополя – теоретична ідея десятиліть тому. Ці відкриття можуть поглибити наше розуміння Всесвіту і того, як працює матерія в найменших масштабах.
Якщо вам цікаві статті та новини про авіацію та космічну техніку — запрошуємо вас на наш новий проєкт AERONAUT.media.
Читайте також: