В 1987 году лауреат Нобелевской премии по физике Пол В. Андерсон выдвинул гипотезу о том, что известная всем высокотемпературная сверхпроводимость может быть обусловлена экзотическим квантовым состоянием материи, классифицируемым как квантовая спин-жидкость. Характеристикой данного состояния является поведение магнитных моментов частиц подобно жидкости, которая не переходит в твердое состояние даже при достижении температуры абсолютного нуля. Несмотря на то что подобные экзотические формы материи рассматриваются как перспективные объекты для разработки квантовых вычислительных систем, ученым до настоящего времени не удалось синтезировать спин-жидкость, пригодную для практического применения в различных квантовых технологиях. Лишь недавно, исследователям из университета Аальто, Финляндия, бразильского Центра физических исследований (CBPF), технического университета Брауншвейга и университета Нагои впервые удалось создать сверхпроводящую квантовую спин-жидкость.

Свойства созданной субстанции максимально приближены к свойствам теоретической жидкости, предсказанным Полом Андерсоном. Создание квантовой спин-жидкости стало возможным благодаря разработанной в университете Аальто технологии управления свойствами некоторых магнитных материалов.

Большинство из существующих высокотемпературных сверхпроводников имеют в своей основе оксид меди, в которой ионы меди формируют квадратную кристаллическую решетку, а магнитные моменты соседних ионов направлены в противоположных направлениях. Когда такая стройная кристаллическая структура нарушается путем изменения степени окисления меди, материал становится сверхпроводником. Однако, замена обычных ионов меди на ионы, имеющие электронную структуру d10 и d0, превратила всю кристаллическую структуру в квантовую спин-жидкость.

“В будущем метод замены ионов d10/d0 может быть использован по отношению ко многим другим видам магнитных материалов, что позволит нам получить целый ряд новых материалов, обладающих уникальными квантовыми свойствами” – рассказывает Отто Мастонен (Otto Mustonen), исследователь из университета Аальто.

Для регистрации факта создания квантовой спин-жидкости и определения ее свойств ученые использовали технологию спин-спектроскопии. Эта технология основана на взаимодействии подобных электронам элементарных частиц, таких, как мюоны, с исследуемым материалом. Такой метод способен определить даже самые слабые магнитные поля, существующие в квантовом материале.

“В дополнение к сложному и высококачественному оборудованию, данный вид исследований требует совместной работы ученых-физиков, химиков и ученых других направлений” – рассказывает профессор Маарит Карпинен (Maarit Karppinen), – “Но совместными усилиями такой многопрофильной команды мы сможем изучить свойства квантовых спин-жидкостей и подойти вплотную к практическому созданию так называемого топологического квантового компьютера”.

Для любознательных

Исследования в области сверхпроводящей квантовой спин-жидкости в России проводятся в нескольких научных организациях. Основные работы связаны с синтезом новых материалов, изучением их магнитных свойств и квантовых кооперативных эффектов.

Лаборатория «Функциональные квантовые материалы» (НИТУ «МИСиС»)

Лаборатория создана в 2021 году в результате победы НИТУ «МИСиС» в конкурсе мегагрантов Министерства образования и науки РФ. Её возглавляет доктор физико-математических наук, профессор Александр Николаевич Васильев.

Направления деятельности:

• поиск и идентификация функциональных характеристик новых квантовых материалов, включая сверхпроводники, магнетики и системы с волнами зарядовой плотности;
• исследование материалов, в которых различные квантовые кооперативные эффекты (сверхпроводимость, магнетизм, волны зарядовой плотности и др.) проявляются в одном и том же материале, конкурируя между собой.

Достижения: В 2021 году исследователи из МГУ имени М. В. Ломоносова и НИТУ «МИСиС» синтезировали кристаллы хлорид-фосфата оксокупрата натрия и висмута с решёткой типа квадратного кагоме. При охлаждении до −271 °C в этом материале не образуется магнитного порядка, что позволило предположить, что его спиновая подсистема при низких температурах ведёт себя как перепутанная спиновая жидкость.

Исследованиями сверхпроводящих квантовых спиновых жидкостей занимаются учёные из разных стран, в том числе в рамках международных коллабораций. Эта область связана с изучением экзотических квантовых состояний материи, которые могут иметь потенциал для развития квантовых технологий, в том числе топологических квантовых компьютеров. sciencedaily.comintegral-russia.ruen.wikipedia.org

Некоторые организации и коллективы, которые участвовали в таких исследованиях:

• Университет Аалто (Финляндия). Здесь разработали метод управления свойствами некоторых магнитных материалов, который позволил создать сверхпроводящую квантовую спиновую жидкость.
• Бразильский центр физических исследований (CBPF). Участвовал в совместных исследованиях.
• Технический университет Брауншвейга. Также участвовал в проектах по созданию квантовых спиновых жидкостей.
• Университет Нагои. Входил в число организаций, работавших над этим достижением.

В 2018 году сообщалось о создании сверхпроводящей квантовой спиновой жидкости в рамках такого сотрудничества. Учёные модифицировали магнитные взаимодействия в материале на основе оксидов меди, изменив электронную структуру ионов. Для регистрации факта создания квантовой спиновой жидкости и определения её свойств использовалась технология спин-спектроскопии, основанная на взаимодействии подобных электронам элементарных частиц (например, мюонов) с материалом. sciencedaily.comintegral-russia.ru

Кроме того, исследования в области квантовых спиновых жидкостей и их связи с сверхпроводимостью ведутся и в других научных центрах и организациях, например:

• Гарвардский университет. В 2021 году группа физиков под руководством Джулии Семегини и Михаила Лукина впервые наблюдала квантовую спиновую жидкость с помощью программируемого квантового симулятора.
• Университет Райса. В 2025 году международная команда учёных доказала существование квантовой спиновой жидкости в кристаллическом соединении оксид церия-циркония (Ce₂Zr₂O₇).
• Бирмингемский университет. В 2024 году сообщалось о разработке материала на основе рутения, который удовлетворяет требованиям квантового спинового жидкого состояния Китаева.

Изучение квантовых спиновых жидкостей может помочь в понимании высокотемпературной сверхпроводимости и разработке новых материалов для квантовых технологий.