Во-первых, доктор Людовик Жобер из отдела теории квантовой материи OIST работал вместе с учеными Лондонского университетского колледжа и Высшей школы Лиона, чтобы предложить модель сосуществования магнитного порядка и беспорядка еще в 2014 году. случаются, когда нейтроны стреляют в разрушенные магниты — названные так из-за сильной конкуренции сил между спинами отдельных атомов — Жобер и его коллеги смогли создать ярко окрашенные карты рассеяния нейтронов. Если бы спины в атомах материала выстраивались упорядоченным образом в магните, вы бы ожидали увидеть на картах пятна, известные как «пики Брэгга», тогда как для спиновых жидкостей вы бы ожидали увидеть формы галстука-бабочки, называемые «точки защемления». К своему удивлению, ученые заметили на своих картах рассеяния нейтронов как пики Брэгга, так и точки защемления, что свидетельствует о том, что неупорядоченные свойства спиновой жидкости могут одновременно существовать с упорядоченным магнетизмом.«Спиновые жидкости являются образцом магнитного беспорядка.
Было очень интересно увидеть характерные особенности спиновой жидкости в частично упорядоченном магните. Это действительно мотивирует думать о фундаментальных возможностях, которые это открывает для нашего понимания конденсированного состояния», — говорит Жобер. .Вторая веха в этой области исследований произошла в начале этого года, когда публикация в Nature Physics показала, что теория доктора Жобера и его сотрудников подтверждается экспериментальными наблюдениями с использованием магнитного материала цирконата неодима (Nd2Zr2O7). «Результаты этого эксперимента подтверждают теорию, которую доктор Жобер представил о сосуществовании магнитного порядка и беспорядка в 2014 году», — говорит доктор Оуэн Бентон, бывший научный сотрудник отдела теории квантовой материи, возглавляемый профессором Ником. Шеннон.Однако потребовалась дополнительная работа, чтобы связать этот новый эксперимент с первоначальной идеей Жобера.
Чтобы раскрыть, как цирконат неодима может быть одновременно упорядочен и неупорядочен, Бентон приступил к работе над последним этапом этого исследования, построив подходящую микроскопическую модель для этого магнитного материала. Используя свою модель, Бентон показал, что цирконат неодима существует как в упорядоченном, так и в флуктуирующем состоянии, что делает его очень необычным магнитом.Работа также показывает, что цирконат неодима находится на грани превращения в квантовую спиновую жидкость — редкое состояние материи, открывающее черный ход в квантовый мир.
В настоящей квантовой спиновой жидкости спины материала не просто будут колебаться во многих разных направлениях как функция времени, но будут указывать во многих разных направлениях одновременно.«Если бы вы могли показать, что существует такая вещь, как квантовая спиновая жидкость, это было бы похоже на пример кота Шредингера на большом объекте», — говорит Бентон. Кот Шредингера — это известный мысленный эксперимент в физике, в котором кот в запечатанном ящике с радиоактивным источником одновременно жив и мертв. Подобно тому, как кошка существует в нескольких состояниях, то есть в живых и мертвых одновременно, это исследование открывает путь к поиску настоящих магнитов, которые одновременно находятся во многих состояниях.
«Это исследование также демонстрирует, что мы можем получить очень полную картину физики цирконата неодима, используя модель», — говорит Бентон. Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования этого и связанных с ним материалов могут выявить еще более неожиданные и захватывающие явления.