Ученые из MIT впервые синтезировали кристалл, который, как они считают, является двухмерной квантовой спиновой жидкостью: твердое вещество, атомы которого находятся в движении даже при достижении температуры абсолютного нуля.

Кристалл, известный как гербертсмитит (herbertsmithite), является частью семейства Zn-paratacamites (первые представители данного семейства были обнаружены в 1906 году). Физики начали уделять больше внимания квантовой спиновой жидкости в 1987 году, когда Нобелевский лауреат Филипп В. Андерсон (Philip W. Anderson) внес предположение, что теория квантовой спиновой жидкости может быть связана с явлением высокотемпературной сверхпроводимости, позволяющим материалам проводить электричество без сопротивления при температурах выше -253 градусов по Цельсию (20 градусов по Кельвину).

Чтобы проверить эту теорию, ученые искали материалы, способные сохранять движение квантового спина при температуре до -273 градусов по Цельсию. Почти все обычные материалы теряют свою динамику спина при таких низких температурах, а вместе с ней и всю кинетическую энергию.

Выявление квантовой спиновой жидкости и производство крупных монокристаллов может помочь физикам понять механизмы высокотемпературной сверхпроводимости, говорит Тьянхенг Хан (Tianheng Han), выпускник кафедры физики Массачусетского технологического института (MIT) и главный автор статьи по синтезу в издании Physical Review B. Senior от 3 марта. Его соавторами являлись доценты физики Янг Ли (Young Lee) и Дэниел Носера (Daniel Nocera), а также Генри Дрейфус (Henry Dreyfus), профессор химии.

Гербертсмитит является диэлектриком, а не сверхпроводником, но если верить теории квантовой спиновой жидкости, то легирование кристалла (например, замена его на хлор с серой) может превратить его в сверхпроводник. Хан, Ли и их коллеги смогли синтезировать около трех граммов чистого гербертсмитита в своих последних работах. Кристалл существует в природе, но в формах, не позволяющих проводить эксперименты на проверку физических характеристик. Исследователи планируют сделать больше тестов, чтобы определить, является ли кристалл действительно квантовой спиновой жидкостью. Одним из важных этапов исследования стал поиск квантового дробления (известный пример - дробно квантовый эффект Холла), за открытие которого Даниэль Цуи (Daniel Tsui) и Хорст Штёрмер (Horst Störmer) получили Нобелевскую премию по физике в 1998 году.

Наличие кристаллов в большом количестве предоставит возможность проводить эксперименты, позволяющие выявлять необычное поведение гербертсмитита, заявляет Коллин Брохольм (Collin Broholm), профессор физики в Университете Джонса Хопкинса. «Рассеяние нейтронов теперь возможно, что обеспечивает нас подробной информацией, которая была бы недоступна, используй мы кристалл в каких-либо других формах», - говорит он.

Источник: 3DNews