Міжнародна група фізиків виявила квантовий стан, в якому вирівнювання атомів, пов’язане зі спинами, не впорядковане навіть при наднизьких температурах. Вченим вдалося охолодити створений матеріал практично до абсолютного нуля. При цьому центральна властивість атомів — їх розташування — не «замерзає», як зазвичай, а залишається в «рідкому» стані, повідомляють автори роботи.
На перший погляд, квантові матеріали нічим не відрізняються від звичайних речовин, але відмінності все ж є, кажуть дослідники. Усередині таких матеріалів електрони взаємодіють з незвичайною інтенсивністю як один з одним, так і з атомами кристалічної решітки. Ця тісна взаємодія призводить до потужних квантових ефектів, які проявляються не тільки в мікроскопічному, але і в макроскопічному масштабі.
Завдяки цим ефектам квантові матеріали мають незвичайні властивості. Наприклад, вони можуть проводити електрику абсолютно без втрат при низьких температурах. При цьому навіть незначних змін температури, тиску або електричної напруги досить, щоб докорінно змінити поведінку матеріалу.
Квантова рідина. Зображення: Nan Tang et al., Nature Physics
У своїй роботі дослідники прагнули створити квантовий матеріал, який не буде змінювати своїх властивостей незалежно від температури середовища. Вони використовували з’єднання декількох елементів – празеодиму, цирконію і кисню. Дослідники припустили, що в цьому матеріалі властивості кристалічної решітки дозволять спинам електронів особливим чином взаємодіяти з орбіталями, по яких вони «рухаються» навколо ядер атомів.
- Розумні наночастинки допоможуть зберегти молодість
- Названо три небезпечних періоди вживання алкоголю
Після серії спроб дослідникам вдалося створити кристали досить чисті, щоб домішки і неоднорідності не впливали на розрахункові властивості. Вони охолодили зразок до температури в 20 мК (одна п’ятдесята градуса від абсолютного нуля). Результати експериментів показали, що в цьому стані матеріал зберігає «рідкі властивості — спини електронів не впорядковуються. Це перше спостереження незвичайного квантового стану, кажуть автори роботи. Вони порівнюють його з водою, яка ніколи не замерзне”.
Кріогенна установка, використана в експерименті. Зображення: Jurgen Jeibmann, HZDR
Новий квантовий стан можна буде використовувати для розробки високочутливих квантових датчиків, вважають вчені. Оскільки їх квантова природа робить їх надзвичайно чутливими до зовнішніх подразників, такі датчики можуть реєструвати магнітні поля або температури з набагато більшою точністю, ніж звичайні пристрої.