На протяжении десятилетий физики предсказывали теоретически существование «эмерджентных фотонов» – квазичастиц, возникающих в экзотических состояниях материи. Теперь международная группа ученых под руководством физика Пэнчэна Дая из Университета Райса сообщила о первом прямом наблюдении этих неуловимых объектов. Их открытие, опубликованное в журнале Nature Physics, подтверждает, что кристалл оксида церия-циркония (Ce2Zr2O7) является чистым трехмерным образцом так называемой квантовой спиновой жидкости – уникального состояния вещества.
Квантовые спиновые жидкости давно интригуют ученых. В отличие от обычных магнитов, где магнитные моменты атомов выстраиваются в упорядоченную структуру, в этих материалах магнитного упорядочения не происходит даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Вместо этого спины остаются квантово запутанными и находятся в постоянном коллективном движении. Такое поведение напоминает эмерджентную квантовую электродинамику и открывает перспективы для революционных технологий – от квантовых компьютеров до передачи энергии без потерь.
«Мы ответили на важный открытый вопрос, напрямую обнаружив эти возбуждения», – заявил профессор физики и астрономии Пэнчэн Дай. «Это подтверждает, что Ce2Zr2O7 ведет себя как истинный квантовый спиновый лед – особый класс трехмерных квантовых спиновых жидкостей». Это обнаружение знаменует собой значительный прорыв в понимании фундаментальных свойств материи.
Для регистрации этих неуловимых «эмерджентных фотонов» исследователи использовали метод поляризованного нейтронного рассеяния. Этот сложный, но прецизионный подход позволил им выделить слабые магнитные сигналы, представляющие интерес, эффективно отсеивая посторонние шумы, даже когда система охлаждалась до температур, предельно близких к абсолютному нулю.
Проведенные измерения выявили характерные сигналы эмерджентных фотонов вблизи нулевой энергии – ключевой признак, отличающий квантовый спиновый лед от более привычных фаз обычных магнитов. Дополнительное подтверждение получено в результате измерений удельной теплоемкости, показавших, что предсказанные эмерджентные фотоны распространяются подобно звуку в твердом теле. Это означает, что они ведут себя как коллективные возбуждения, перенося энергию через материал.
Предыдущие попытки подтвердить подобное поведение часто сталкивались с техническими трудностями, такими как фоновый шум и неполные данные. Команда из Университета Райса преодолела эти препятствия благодаря значительному улучшению подготовки образцов и использованию высокоточного оборудования. Это стало возможным благодаря обширному международному сотрудничеству с ведущими лабораториями Европы и Северной Америки.
Таким образом, в этом трехмерном материале-кандидате ученые впервые одновременно наблюдали как эмерджентные фотоны, так и спиноны – фундаментальные признаки квантового спинового льда. Это открытие разрешает давнюю дискуссию в физике конденсированного состояния и предоставляет исследователям прочную основу для изучения квантовых феноменов нового поколения, а также для поиска потенциальных технологических применений. Бин Гао, научный сотрудник кафедры физики и астрономии Университета Райса и первый автор исследования, подчеркнул, что полученные данные полностью подтверждают десятилетия теоретических предсказаний. «Этот удивительный результат побуждает ученых глубже изучать такие уникальные материалы, что потенциально может изменить наше понимание магнитов и поведения материи в экстремальных квантовых режимах», – добавил Гао.
В состав исследовательской группы также вошли Феликс Десрошер и Ён Бэк Ким из Университета Торонто; Дэвид Тэм (выпускник Университета Райса) из Paul Scherrer Institut; Зилке Пашен, Диана Киршбаум и Дуй Ха Нгуен из Венского технического университета; Пауль Штеффенс и Арно Хисс из Institut Laue-Langevin; Йиси Су из Jülich Centre of Heinz Maier-Leibnitz Zentrum; и Санг-Вук Чеонг из Университета Рутгерса. Исследование получило поддержку от Министерства энергетики США, Gordon and Betty Moore Foundation, а также Robert A. Welch Foundation.
