Открито е доказателство за екзотичното състояние на материята, подходящо за квантови компютри

Физици от Германия и САЩ са доказали съществуването на квантова спинова течност, състояние на веществото, което е много перспективно за създаване на кюбити за квантови компютри. Резултатите от изследването са публикувани в списанието Nature Physics.

Теорията за спиновите течности е била формулирана още през 1973 година от Филип Андерсън, който предсказва към двата добре известни „класически“ вида магнетизъм (феромагнетизъм и антиферомагнетизъм), още едно състояние – спинова течност. То не се определя от порядъка на магнитните моменти на атоми, йони или електрони, а е “течно” поведение на спиновете (собствени, несвързани с движение в пространството, моменти на импулсите на частиците). Аналогията с течност е напълно условна и е свързана с особеностите на поведението на спиновете при много ниски температури.

Можем да си представил електрона като пумпал, въртящ се около своята ос в някаква посока. В течение на десетилетия физиците изучават много подробно свойството за въртене на електроните, наричано спин и се опитват да го използват в новите технологии. В магнитните материали спиновете за изравнени едни с други в една или противоположна посока. Но това поведение, наричано магнитно подреждане, може да бъде подтиснато чрез температура или магнитно поле. Теорията предполага , че в момента, в който магнитното подреждане бива подтиснато, възниква екзотичното състояние на материята, наречено квантова спинова течност.

За тази цел физиците продължават търсенията си за подходящ материал, защото смятат, че това състояние на материята ще помогне за създаването на квантовите компютри на бъдещето.

Учени от Националната лаборатория за силните магнитни полета от Държавния университет на Флорида и техните немски колеги от Института по химическа физика към Обществото Макс Планк в Дрезден за пръв път са доказали, че при високи температури и силни магнитни полета спиновете на електроните, взаимодействайки в материала рутениев трихлорид, ефективно намаляват общата енергия.

„Нашето изследване убедително потвърждава, че рутенивият трихлорид притежава свойства на спинова течност. Това позволява по нов начин да се погледне на този материал и демонстрира перспективната възможност за търсенето на нови спинови течности“ – казва за прес-релийза на Държавния университет на Флорида водещият автор на изследването Ким Модич (Kim Modic).

Той заедно с колегите си физици е провел експерименти на експерименталната установка за импулсно магнитно поле MagLab в Националната лаборатория за силно магнитно поле, която е най-голямата в света магнитна лаборатория с голяма мощност.

В търсенето на вещество, което евентуално може да бъде в състояние на спинова течност, изследователите са се спрели на рутенивия трихлорид. Той има клетъчна структура, също както графена. Но за разлика от въглеродния материал, в рутенивия трихлорид спиновете на електроните са насочени в една посока, благодарение на което този материал притежава магнитни свойства.

„Рутеният е много по-тежък от въглерода, което води до силно взаимодействие между спиновете“ обяснява другият водещ изследовател Аркадий Шехтер ( Arcady Shekhter).

Изследователите са предположили, че заради този ефект магнитният безпорядък ще се увеличи в материала и той няма да има магнитни свойства. Така два електрона с различни спинове ще се обединят в двойка, а третият електрон ще остане в „безтегловно“ състояние, което ще доведе до образуването на спинова течност. Резултатите от експеримента са потвърдили тяхната хипотеза.

„Изглежда, че при ниски температури и под въздействието на магнитното поле рутенивият трихлорид проявява признаци на това поведение, което ние търсим – отбелязва Модич – Спиновете не просто се изравняват в съответствие с ориентировката на съседните спинове, но стават динамични, подобно на въртящи се молекули вода, при съхраняване на известна корелация между тях.“

Това откритие е станало възможно благодарение на нова методика за провеждане на експеримента, разработена от екипа учени. Те са я нарекли резонансна торсионна магнитометрия, която позволява точно да се измерят електронните спинове в силни магнитни полета.

„Прелестта на нашия подход се състои в това, че на тази относително елементарна установка, ние успяхме да проведем измервания с резистивен магнит с мощност 35 тесла,а също така и с магнит в импулсно поле с мощност 65 тесла“ – обяснява Модич.

На следващия етап изследователите искат да проведат експерименти в поле с индуктивна мощност от 100 тесла, което според тях ще им позволи да уловят самия момент на преход на рутенивия трихлорид в неуловимото екзотично състояние на спинова течност.