Уявіть, що ви мчите до друзів із повним кухлем пива. Щоб рідина не перелилася через край під час вашої різкої зупинки, ви нахиляєте кухоль у певний бік. Атоми трохи схожі на це пиво – вони поводяться не як футбольні м’ячі, а як бульбашки всередині рідини. Щоб їх перемістити з одного місця в інше, потрібно дуже багато зусиль. Утім, навіть за цих – квантових – умов неможливо без кінця нарощувати швидкість.

Так, квантова фізика відрізняється від класичної: там ще більше невідомих та неописаних феноменів, які ми споглядаємо і намагаємося осмислити. Нам складно зрозуміти поведінку електронів в екстремальних умовах квантових матеріалів, але нещодавня наукова публікація трохи поглибила це розуміння.

Що сталося

Фізики з Принстонського університету занурилися ще глибше у поведінку об’єктів у квантових матеріалах. Згідно зі свіжим дослідженням, є експериментальне підтвердження дуальної природи електронів. Себто частинки поводяться так, ніби мають дві складові: одна дає негативний заряд, а інша – магнітні властивості.

На мій погляд, це перший серйозний доказ розмежовування природи заряду електрона та його магнітних властивостей

Най Пухан Он, старший дослідник у роботі для Nature Physics

Отримані науковцями експериментальні результати збігаються з прогнозами, зробленими десятки років тому. Вони стосувалися спінової рідини – особливо рідкісного магнітного стану речовини, геть складного для розуміння.

Зазвичай у речовинах спін електрона вказує або вгору, або вниз – а у магніті  вони спрямовані в один бік уздовж всього зразка. Але у рідині спіни не можуть дійти єдності, а радше «танцюють» заплутаними та хаотичними траєкторіями. З цього виходить довгий квантовий стан, який дуже важко обчислити чи описати.

Саме тому фізики пропонують розглядати електрони у квантовому режимі як щось дуальне, себто утворене з двох частинок. Одна – носій негативного заряду, а інша – спін; загалом таку частинку назвали спіноном.

Тривимірна модель, що показує як температурна кондуктивність (вертикаль) корелює з магнетичними властивостями (горизонталь) за певних температур (шкала “Т”). Осциляції, себто коливання є доказом концепту спінона. Джерело: Phys.org

У вищезгаданому дослідженні науковці шукають спінон рідини, яка складається з рутенію та хлору. За температури майже -270ºC та належного магнітного поля кристали хлориду рутенію входять у стан спінової рідини. До них підключають надчутливі термометри та намагаються виміряти теплопровідність – адже спінон проявляється температурними коливаннями.

Чому це важливо

Науковці билися над концептом спінона десятиліттями. Якщо ця інтерпретація підтвердиться, це значно просуне людство у дослідженні спінової рідини та внесе корективи у сучасні квантові теорії.

Зокрема, спінонна рідина сприятиме розробці нових сховищ великих даних та допоможе зрозуміти природу високотемпературної надпровідності матеріалів.

Коменти