Гіпотеза про альтернативний магнітний стан речовини - спінову рідину - знайшла довгоочікуване підтвердження в експерименті. Нове фундаментальне відкриття може зіграти велику роль у дослідженні високотемпературної надпровідності і розробці комп'ютерних процесорів нового типу.

Тепер до двох відомих «класичних» типів магнетизму (феромагнетизму і антиферомагнетизму) додався ще один, обумовлений не порядком магнітних моментів атомів, іонів чи електронів (як, наприклад, у кристалах), а «рідкою» поведінкою спінів - власних, не пов'язаних із рухом у просторі, моментів імпульсів елементарних частинок.

Феномен спінової рідини був вперше теоретично передбачений у 1973 році лауреатом Нобелівської премії з фізики Філіпом Андерсоном.

З точки зору класичної фізики і навіть квантової теорії електромагнетизму спінова рідина - явище дуже незвичне, але тлумачити квантовомеханічний світ (спін, що лежить в основі магнетизму, має квантову природу) звичними поняттями так само марно, як міряти «Алісу у Задзеркаллі» категоріями реалістичної прози.

На відміну від класичної речовини рідини, яка складається з молекул, спінова є сукупністю спінів елементарних частинок, які знаходяться у постійному і неврегульованому русі. Звичайно, порівняння з рідиною тут умовне і засноване не на фізичній схожості феноменів, а на формальній аналогії, адже у спінової рідини переміщаються не самі частинки, а їхні спіни, або моменти імпульсів.

Як таке можливо, адже спін не пов'язаний з переміщенням частинки у просторі, а є її внутрішньою квантової характеристикою - її власним, не пов'язаним з рухом, моментом імпульсу?

Власне, у цьому і містився сенс теоретичного передбачення, що описує новий магнітний стан матерії, який характеризується колективною зміною - «перетіканням» - спінів. Це перетікання описується за допомогою віртуальних беззарядових частинок - спінонів, що поводять себе як рідина.

Незважаючи на віртуальність (точніше, віртуальний спосіб опису), поведінка спінової рідини може впливати на вимірювані магнітні та інші характеристики речовини, оскільки спін, хоч він і не пов'язаний з реальним обертанням чи переміщенням частинки, породжує певний магнітний момент. Але якщо магнітні моменти атомів, що утворюють кристалічну решітку феромагнетиків, впорядковані, а у випадку антиферомагнетика спрямовані протилежно, то у спінової рідини - третьому типі магнетизму - магнітна орієнтація частинок не фіксована, а постійно змінюється, «тече», ніколи не впорядковуючись остаточно (хоча, згідно теорії, групи впорядкованих магнітних моментів, «фрактальні магнітні візерунки», у спінової рідини і виникають).

Довгий час спінова рідина була предметом виключно теоретичних спекуляцій, і було незрозуміло навіть, які конкретно матеріали можуть продемонструвати передбачений феномен.

У кінці 80-х років минулого століття той же Філіп Андерсон припустив, що потенційними кандидатами, що демонструють «рідкий спіновий магнетизм», можуть бути антиферомагнетики (в антиферомагнетиках магнітні моменти окремих частинок орієнтовані не паралельно в одному напрямку, а назустріч один одному). Але лише в останні кілька років, використовуючи нові підходи у моделюванні та потужні комп'ютери, фізики змогли звузити область пошуків і зупинилися на цинковмісному паратакаміті (рідкісний мінерал гербертсмітит), кристалічна ґратка якого нагадує візерунок японської плетінки - кагоме. Атоми міді гербертсмітіта розташовані у кутах трикутників такої кагоме-ґратки.

Гербертсмітит є антиферомагнетиком, і спіни електронів у двох кутах трикутників спрямовані у протилежні сторони - один вгору, інший вниз. У ситуації, коли магнітні моменти двох електронів є фіксованими, електрон у третьому кутку решітки виявляється аутсайдером. На мові фізики конденсованих станів (розділ фізики, що описує поведінку складних середовищ, у яких групова поведінка не зводиться до поведінки окремих частинок і описується через віртуальні частинки) такі електрони, що опинилися поза строєм «фруструють», і їх спіни набувають рухливості: кристал зберігає всі властивості твердої речовини, але у магнітному відношенні демонструє текучість - стан, який можна визначити як ще один магнітний стан матерії.

Досліджувати гербертсмітит як потенційний матеріал, що демонструє такий стан, ще у 2007 році запропонувала група з Массачусетського технологічного інституту, керована Деніелом Носером і Янгом Лі. Однак продемонструвати рідкий спіновий магнетизм виявилося у технічному відношенні справою дуже непростою. По-перше, для цього треба було виростити досить великий і надчистий монокристал паратакаміта. По-друге, придумати надійний спосіб, яким можна виявити у цьому матеріалі текучість спінів.

Інша група М.А. де Вріе і Дж. Санчеса-Бенітеса, що працювала у Единбурзькому університеті, у 2008 році повідомила, що їй вдалося виявити спінову рідину, вимірюючи магнітну сприйнятливість і теплову ємність кристала паратакаміта.

Однак для остаточного підтвердження гіпотези, яка передбачала новий магнітний стан речовини, знадобилося ще чотири роки, і остаточну крапку в історії вловлення «рідких спінів» поставила стаття, нещодавно опублікована у Nature і підписана Деніелом Носером, Янгом Лі та їх колегами з МІТ.

Цій групі вдалося першим виготовити великий кристал гербертсмітита і, використовуючи метод розсіювання нейтронів на атомах кристалічної ґратки, продемонструвати специфічні ефекти магнітної поведінки кристала, які підтверджують, що магнітні моменти електронів у досліджуваному зразку «течуть» і фракталізуются, тобто демонструють квантову групову поведінку, формуючи локальні намагнічені області.

Про практичне застосування «рідких спінів» говорити поки дуже рано, але у перспективі відкриття нового магнітного стану речовини може зіграти велику роль у дослідженні високотемпературної надпровідності і розробці комп'ютерних процесорів нового типу, що використовують поки що екзотичні квантові ефекти.

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: gazeta.ru