Российским ученым удалось получить новый материал, который при охлаждении до низких температур демонстрирует свойства спиновой жидкости. Спины атомов этого материала не замерзают при температурах, близких к абсолютному нулю.
Спин – это свойство элементарной частицы вращаться вокруг собственной оси подобно волчку. Если бы мы измеряли спин волчка, то закрутив волчок по часовой стрелке, получили бы спин волчка, направлен вверх, вдоль ручки волчка. Если бы волчок закрутили против часовой стрелки, то спин волчка был бы направлен вниз, вдоль ножки волчка. У частиц со спином то же самое, хотя ни ручки, ни ножки, как у волчка, у частиц нет.
Так вот, в большинстве известных материалов при комнатной температуре спины их атомов разупорядочены. То есть спины у одних атомов материала направлены вверх, а у других атомов – вниз. Причем никакого порядка в направлениях спинов нет, и спины могут менять свое направление довольно хаотично.
Когда материалы охлаждают почти до абсолютного нуля, атомы материала лишаются энергии движения и практически застывают на месте. При этом спины всех частиц выстраиваются в одном направлении.
Но есть материалы, структура которых дает спинам своих атомов большую свободу – они даже при сверхнизких температурах продолжают «играть» своими спинами. Такие материалы называют спиновой жидкостью.
Предсказали существование спиновой жидкости в 1973 году. А свойства спиновой жидкости у земного минерала впервые открыли в 2012 году. Минерал называется гербертсмитит – по имени его первооткрывателя Герберта Смита. Смит нашел свой минерал еще в 1972 году, но ничего про спиновую жидкость не знал.
Свойства спиновой жидкости гербертсмититу придает его кристаллическая решетка, где атомы выстроены в форме японского узора кагоме.
Материал с таким же узором кагоме синтезировали российские ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова и НИТУ «МИСиС». Это кристаллы хлорид-фосфата оксокупрата натрия и висмута. И в этих кристаллах при охлаждении до −271°C спины не выстраиваются в одном направлении. То есть кристаллы ведут себя как спиновая жидкость, предположили создатели нового материала.
«Синтезированный объект состоит из атомов натрия, меди, висмута, фосфора, кислорода и хлора. В кристаллической постройке кандидата в спиновые жидкости можно выделить два основных фрагмента-модуля, – рассказывает Александр Васильев из НИТУ «МИСиС», один из авторов исследования. – Первый – это слои, образованные кластерами из четырех тетраэдров. В центре каждого тетраэдра располагаются атомы кислорода. В трех вершинах тетраэдра находятся атомы меди, а в четвертой нашлось место атому висмута. Такие слои несут положительный заряд и готовы его разделить со вторым, отрицательно заряженным фрагментом. Этот слой комбинируется из многогранников, в центрах которых располагаются атомы натрия, фосфора и меди, а в вершинах атомы кислорода и/или хлора».
По словам Васильева, взаимоотношения слоев этого материала трактуют, как модель «гость -хозяин». «Хозяином» стала обычная поваренная соль, она сформировала матрицу, принявшую «гостевой» фрагмент нового материала. В результате такого радушного приема «гостя» образовался материал с уникальными свойствами. Статья о об этом исследовании опубликована в журнале Inorganic Chemistry.
Материалы со свойствами спиновой жидкости могут найти применение в квантовых технологиях, например, в квантовых компьютерах.