Новое состояние материи ошибочно приняли за квантовую спиновую жидкость

Фото из открытых источников

Группой ученых из Университета Райса произведён пересмотр представлений о магнитном материале CeMgAl11O19. Это гексаалюминат церия-магния. Раньше его относили к категории квантовых спиновых жидкостей, это редкая фаза вещества, важных для квантовых вычислений. Но исследование, опубликованное в журнале Science Advances, доказало, что нестандартные свойства материала объясняются другим, состоянием: ранее не описанным неквантовым.

Первоначальную классификацию CeMgAl11O19 обосновывали на двух признаках: отсутствии магнитного порядка и наличии континуума состояний. Традиционно в изолирующих веществах в условиях охлаждения до температур, приближенных к абсолютному нулю, магнитные ионы складываются в упорядоченную структуру — ферромагнитную или антиферромагнитную. Это состояние соответствует единственной конфигурации, обладающей минимальной энергией.

Что касается квантовых спиновых жидкостей, то там ионы не фиксируются в одном состоянии, а непрерывно переходят из одного в другое под действием квантовых эффектов. Что и приводит континууму состояний и отсутствию намагниченности. Такая картина наблюдалась и у CeMgAl11O19, став основанием для первоначального вывода.

Нынешнее детальное исследование с применением нейтронного облучения и точнейших замеров выявило иную природу явления. Соавторы работы Бинь Гао и Тун Чэнь пояснили, что в данном соединении граница меж ферромагнитным и антиферромагнитным состояниями необычно слаба. В итоге у магнитных ионов появилась возможность выбора разных видов упорядочения: часть из них становилась ферромагнитными, другая обретала характер антиферромагнитных. Это сочетание создавало иллюзию отсутствия общего магнитного порядка.

Данная нестандартность реакций дала шанс формированию множества возможных низкоэнергетических конфигураций. Охлаждаясь, разные участки образца занимали свои отдельные состояния, а их комплекс формировал картину, похожую на квантовый континуум. Но в отличие от подлинной квантовой спиновой жидкости, перейдя в одно из подобных состояний, материал уже не имел возможности сменить его, так как процесс не поддерживался квантовыми механизмами.

По словам авторов работы, полученные результаты говорят о существовании нового состояния материи, который ранее не был описан в научной литературе. Работа также демонстрирует, насколько сложными бывают магнитные системы и как важен тщательный анализ экспериментальных данных.