Протягом десятиліть вчені шукали квантові спінові рідини (QSL) – матеріали, які мають особливі властивості, що можуть покращити наше розуміння магнетизму та допомогти в розробці квантових комп'ютерів.

У новому дослідженні матеріал, який раніше вважався QSL, виявився чимось іншим. Це відкриття вказує на те, що нам потрібно переосмислити, як ми оцінюємо кандидатів на QSL; воно також відкриває новий, неквантовий стан матерії.

Згідно з міжнародною командою дослідників, матеріал, церію магнію гексалюмінат (CeMgAl₁₁O₁₉), має деякі дивні, раніше невідомі властивості, які можуть бути дуже корисними, але не відповідає критеріям QSL.

"Матеріал був класифікований як квантова спінова рідина через дві властивості: спостереження безперервності станів і відсутність магнітного порядку," – говорить фізик Бін Гао з Університету Райса в США.

"Але ближче спостереження показало, що основна причина цих спостережень не є фазою квантової спінової рідини."

Вчені досі шукали QSL, охолоджуючи матеріали до наднизьких температур і шукаючи ці дві характеристики, які має CeMgAl₁₁O₁₉: розмиту безперервність станів і хаотичну магнітну поведінку, яка не підпорядковується звичайним правилам.

Хоча ці матеріали (або, точніше, фази матеріалів) давно теоретизувалися, і вчені досягли певного успіху з синтетичними QSL, створеними в лабораторії, вони ще не знайшли визначних прикладів, що трапляються в природі.

CeMgAl₁₁O₁₉ показує, що ці два 'ознаки' QSL не є такими надійними, як вважали фізики.

Використовуючи різноманітні техніки, включаючи відбиття рентгенівських променів і нейтронів від кристалічного матеріалу, зниження його температури та застосування магнітних полів, дослідники виявили, що матеріал не є QSL.

Конкурентні магнітні сили всередині матеріалу, а також його незвичайна структура атомів насправді викликали ефекти, схожі на QSL – тому, хоча CeMgAl₁₁O₁₉ можна виключити як QSL, це все ще цікава нова форма матерії.

"Нас цікавив цей матеріал, який мав набір характеристик, яких ми раніше не бачили," – говорить фізик Тонг Чен з Університету Райса.

"Це не була квантова спінова рідина, але ми спостерігали те, що вважали поведінкою, пов'язаною з квантовими спіновими рідинами."

Це може не здаватися особливо важливим для повсякденного життя, але є деякі потенційно великі прориви, пов'язані з QSL, особливо в галузі квантових обчислень.

Ці системи обіцяють експоненційний стрибок у потужності обробки, але вони все ще далекі від реальності – принаймні в повністю реалізованих формах, які корисні поза межами лабораторних стандартів.

Вважається, що QSL можуть допомогти покращити стабільність квантових комп'ютерів, які в їхньому поточному прототипному вигляді є надзвичайно крихкими і схильними до помилок. Потенційно, частинки QSL можуть зробити зберігання квантових даних більш стійким.

Якщо ці комп'ютери можуть бути розроблені та оптимізовані, то є підстави вважати, що підвищення продуктивності принесе користь моделюванню зміни клімату, прогнозуванню погоди, винаходам ліків та іншим сферам.

Це 'обертання' в QSL є вирішальним: воно відноситься до певного типу імпульсу, який частинка демонструє, коли проходить через магнітний стан. У QSL цей імпульс, згідно з сучасними гіпотезами, є помітно неупорядкованим.

Прогрес безумовно відбувається в ідентифікації кандидатів на QSL, хоча їх рідкість ускладнює їх пошук.

Хоча деякі можуть бути розчаровані, що CeMgAl₁₁O₁₉ не є нашим першим справжнім QSL, він все ще має захоплюючий набір властивостей – і стане корисним еталоном для вчених, які намагаються знайти ці неуловимі матеріали.

"Це новий стан матерії, який, на нашу думку, ми перші описали," – говорить фізик Пеньченг Дай з Університету Райса.

"Це підкреслює важливість уважного спостереження та ретельного дослідження ваших даних."

Дослідження було опубліковане в Science Advances.