Материал, ранее считавшийся квантовой спиновой жидкостью, оказался совершенно новым состоянием вещества, как показывают результаты исследования, опубликованного в Science Advances и проведённого под руководством Университета Райса. Речь идёт о гексаалюминате церия-магния (CeMgAl11O19), который классифицировали как квантовую спиновую жидкость из-за отсутствия магнитного упорядочения и наличия континуума состояний. Однако учёные обнаружили, что эти особенности обусловлены не квантовыми эффектами, а конкуренцией ферромагнитных и антиферромагнитных взаимодействий.
В изолирующих материалах магнитные ионы могут выстраиваться параллельно (ферромагнетизм) или антипараллельно (антиферромагнетизм). При охлаждении до крайне низких температур такие системы обычно переходят в одно стабильное состояние с минимальной энергией. Квантовые спиновые жидкости ведут себя иначе: они постоянно переключаются между несколькими равнозначными состояниями, создавая иллюзию континуума. CeMgAl11O19 демонстрировал похожую картину, но при ближайшем рассмотрении механизм оказался принципиально иным.
Используя нейтронное рассеяние — метод, основанный на бомбардировке материала пучком нейтронов, которые взаимодействуют с магнитными полями атомов — команда исследователей во главе с Пэнчэном Даем выяснила, что граница между ферромагнитным и антиферромагнитным состояниями в данном материале необычайно слаба. Это позволяет ионам свободно перемещаться между двумя конфигурациями, вместо того чтобы застыть в одном упорядоченном паттерне. В результате формируется смешанное расположение ионов: часть ведёт себя ферромагнитно, другая — антиферромагнитно, что препятствует установлению единого порядка. Подобная конкуренция известна и в других системах, например в «спиновых стёклах» (сплавы AuFe и CuMn) или манганитах, где случайное расположение примесей или эффект Яна-Теллера создают похожую фрустрацию магнитных взаимодействий.
При охлаждении до почти абсолютного нуля материал может «выбрать» любое из множества возможных низкоэнергетических состояний, порождая набор наблюдаемых конфигураций, похожих на континуум квантовой спиновой жидкости. Однако, в отличие от истинной квантовой жидкости, после фиксации в одном состоянии материал остаётся в нём без дальнейших переходов. «Уникальная способность материала выбирать разные состояния создала данные, очень похожие на поведение квантовой спиновой жидкости, — пояснил Дай. — Это новое состояние материи, которое мы описали впервые».
Открытие подчёркивает, насколько сложны магнитные системы и как обманчивы могут быть внешние признаки квантовых явлений. Даже когда материал демонстрирует ожидаемые сигнатуры квантового состояния, физика за ними может быть совершенно иной. Исследование, поддержанное Министерством энергетики США и другими научными фондами, подтверждает важность тщательного анализа данных: то, что кажется знакомым, может скрывать нечто принципиально новое.
Источник: This “quantum” material fooled scientists and revealed something new