Исследователи из Массачусетского технологического института экспериментально доказали существование нового типа магнитного состояния материалов. Теперь к двум известным ранее основным классам веществ (ферромагнетики и антиферромагнетики) добавится третий, для которого ещё нет общепринятого названия.

Магнитные свойства всех тел обусловлены взаимным расположением магнитных моментов их частиц – атомов или ионов. В отсутствие внешнего магнитного поля предметы могут оставаться намагниченными (ферромагнетики) либо иметь общую намагниченность, близкую к нулевой (антиферромагнетики).

У первых материалов магнитные моменты ориентированы параллельно, а у вторых – преимущественно навстречу друг другу. Существование совершенно иного третьего состояния было теоретически предсказано Филиппом Андерсоном (Philip Anderson) в 1987 году, однако методы того времени не позволяли доказать его правоту.

Группа под руководством профессора Янга Ли (Young Lee) решила восполнить пробел. Вместе с химиками они потратили 10 месяцев на выращивание чистого кристалла синтетического гербертсмитита. Этот новый минерал с формулой ZnCu3 (OH) 6Cl2, обладающий рядом необычных свойств, был впервые обнаружен в 1972 году в Чили.

Минерал гербертсмитит (фото: Kaygeedee Minerals)
Минерал гербертсмитит (фото: Kaygeedee Minerals)

Образца длиной 7 мм и массой 0,2 грамма хватило для тщательного изучения его магнитных свойств методом нейтронного рассеяния. Ради максимальной точности был использован нейтронный спектрометр Национального института стандартов и технологий (NIST).

Синтетический кристалл гербертсмитита (фото: Tianheng Han / MIT)
Синтетический кристалл гербертсмитита (фото: Tianheng Han / MIT)

В ходе эксперимента было установлено, что магнитные свойства кристалла не соответствуют ни ферромагнитному, ни антиферромагнитному состоянию. Более того, статичные магнитные моменты в нём не наблюдаются вовсе. Вместо этого возникают и исчезают участки локальной намагниченности, обусловленные квантовыми эффектами.

Подобно молекулам жидкости, они всё время находятся в динамическом состоянии. Для иллюстрации этого свойства было предложено рабочее название quantum spin liquid — QSL.

Профессор кафедры физики Гарвардского университета Сабир Сачдив (Subir Sachdev) отмечает, что эти долгожданные результаты открывают новую главу в исследованиях квантовой запутанности.