Теория, сорок лет назад предсказавшая новое магнитное состояние вещества — спиновую жидкость — нашла долгожданное подтверждение в эксперименте. Теперь к двум известным «классическим» типам магнетизма (ферромагнетизму и антиферромагнетизму) прибавился еще один, обусловленный не порядком магнитных моментов атомов, ионов или электронов (как, например, в кристаллах), а «жидким» поведением спинов — собственных, не связанных с движением в пространстве, моментов импульсов элементарных частиц.

Феномен спиновой жидкости был впервые теоретически предсказан в 1973 году лауреатом Нобелевской премии по физике Филипом Андерсоном.

С точки зрения классической физики и даже квантовой теории электромагнетизма, спиновая жидкость — явление очень необычное, но поверять квантомеханический мир (а лежащий в основе магнетизма спин имеет квантовую природу) привычными представлениями так же бесполезно, как мерить «Алису в Зазеркалье» категориями реалистичной прозы.

В отличие от классической, состоящей из молекул вещества жидкости, спиновая представляет собой совокупность находящихся в постоянном и неупорядоченном движении спинов элементарных частиц. Конечно, сравнение с жидкостью здесь условное и основано не на физическом сходстве феноменов, а на формальной аналогии, ведь в спиновой жидкости перемещаются не сами частицы, а их спины, или моменты импульсов.

Как такое возможно, ведь спин не связан с перемещением частицы в пространстве, а является ее внутренней квантовой характеристикой — ее собственным, не связанным с движением, моментом импульса?

Собственно, в этом и содержался смысл теоретического предсказания, описывающего новое магнитное состояние материи, которое характеризуется коллективным изменением — «перетеканием» — спинов. Это перетекание описывается с помощью виртуальных беззарядовых частиц — спинонов, ведущих себя как жидкость.

Несмотря на виртуальность (точнее виртуальный способ описания), поведение спиновой жидкости может оказывать воздействие на измеряемые магнитные и прочие характеристики вещества, так как спин, хоть он и не связан с реальным вращением и перемещением частицы, порождает определенный магнитный момент. Но если магнитные моменты атомов, слагающих кристаллическую решетку ферромагнита, упорядочены, а в случае антиферромагнита — направлены противоположно, то в спиновой жидкости — третьем типе магнетизма — магнитная ориентация частиц не фиксирована, но постоянно изменяется, «течет», никогда не упорядочиваясь окончательно (хотя, согласно теории, группы упорядоченных магнитных моментов, «фрактальные магнитные узоры», в спиновой жидкости и возникают).

Долгое время спиновая жидкость была предметом исключительно теоретических спекуляций, и было непонятно даже, какие конкретно материалы могут продемонстрировать предсказанный феномен.

В конце 80-х годов прошлого века тот же Филип Андерсон предположил, что потенциальными кандидатами, демонстрирующими «жидкий спиновый магнетизм», могут быть антифферомагнетики (в антиферромагнетиках магнитные моменты отдельных частиц ориентированы не параллельно в одном направлении, а навстречу друг другу). Но только в последние несколько лет, используя новые подходы в моделировании (одна из моделей спиновой жидкости была, например, представлена в статье, опубликованной в прошлом году в Science) и мощные компьютеры, физики сумели сузить область поисков и остановились на цинкосодержащем паратацамите (минерал гербертсмитит), кристаллическая тригексагональная решетка которого напоминает узор японской плетенки — кагоме. Атомы меди гербертсмитита расположены в углах треугольников такой кагоме-решетки.

Гербертсмитит является антиферромагнетиком, и спины электронов в двух углах треугольников направлены в противоположные стороны — один вверх, другой вниз. В ситуации, когда магнитные моменты двух электронов являются фиксированными, электрон в третьем углу решетки оказывается аутсайдером.

На языке физики конденсированных состояний (раздел физики, описывающий поведение сложных сред, в которых групповое поведение не сводимо к поведению отдельных частиц и описывается через виртуальные частицы) такие оказавшиеся вне строя электроны «фрустрируют», и их спины приобретают подвижность: кристалл сохраняет все свойства твердого вещества, но в магнитном отношении демонстрирует текучесть — состояние, которое можно определить как еще одно манитное состояние материи.

Исследовать гербертсмитит как потенциальный материал, демонстрирующий такое состояние, еще в 2007 году предложила группа из Массачусетского технологического института, руководимая Дэниэлом Носерой и Янгом Ли. Однако продемонстрировать жидкий спиновый магнетизм оказалось в техническом отношении делом очень непростым. Во-первых, для этого необходимо вырастить достаточно большой и сверхчистый кристалл парацатамита цинка. Во-вторых, придумать надежный способ, каким можно детектировать в этом материале текучесть спинов.

Другая группа М.А. де Врие и Дж. Санчеса-Бенитеса, работающая в Эдибургском университете, в 2008 году сообщила, что ей удалось детектировать спиновую жидкость, измеряя магнитную восприимчивость и тепловую емкость кристалла парацатамита цинка. С их выводами согласились Василий Шагинян (Петербургский институт ядерной физики) и математик Константин Попов (Научный центр УрО РАН, Сыктывкар) в своей интерпретации экспериментальных данных, полученных в Эдинбурге.

Между тем для окончательного подтверждения гипотезы, предсказавшей новое магнитное состояние вещества, потребовалось еще четыре года, и окончательную точку в истории уловления «жидких спинов» поставила статья, опубликованная на этой неделе в Nature и подписанная Дэниэлом Носерой, Янгом Ли и их коллегами по МИТ.

Этой группе удалось первой изготовить большой кристалл гербертсмитита и используя метод рассеивания нейтронов на атомах кристаллической решетки, продемонстрировать специфические эффекты магнитного поведения кристалла, подтверждающие, что магнитные моменты электронов в исследуемом образце «текут» и фрактализуются, то есть демонстрируют квантовое групповое поведение, формируя локальные намагниченные области.

О практическом применении «жидких спинов» говорить пока очень рано, но в перспективе открытие нового магнитного состояния вещества может сыграть большую роль в исследовании высокотемпературной сверхпроводимости и разработке компьютерных процессоров нового типа, использующих экзотические квантовые эффекты.