Физики наблюдали состояние вещества, которое раньше никто не видел

Об экзотическом и совершенно новом состоянии материи, называемом квантовой спиновой жидкостью, выдвигалась гипотеза на протяжении десятилетий, и теперь ученые впервые смогли наблюдать это в лаборатории.

"Жидкая" часть относится к электронам, которые постоянно меняются и колеблются внутри магнитного материала при низких температурах. В отличие от обычных магнитов, в этом случае электроны не стабилизируются и не оседают в структурированной решетке твердого тела при охлаждении.

"Квантовый спин" относится к ориентации углового момента (вверх или вниз), переносимого частицами, которые запутаны парами с противоположными спинами. Теперь, когда это состояние наблюдается впервые, есть надежда, что это открытие может способствовать прогрессу в развитии квантовых компьютеров.

"Это особый момент в этой области", - говорит квантовый физик Михаил Лукин из Гарвардского университета в Массачусетсе. "Вы действительно можете трогать, ткнуть и толкать это экзотическое состояние и манипулировать им, чтобы понять его свойства ... это новое состояние материи, которое люди никогда не могли наблюдать".

Нормальные магниты содержат электроны, спин которых ориентирован в одном направлении - вверх или вниз, что и создает магнетизм.

В квантово-спиновых жидкостях вводится третий электрон, поэтому, хотя два противоположных спина будут стабилизировать друг друга, спин третьего электрона нарушает баланс. Он создает "разочарованный" магнит, когда все вращения не могут стабилизироваться в одном направлении.

Чтобы создать свой собственный паттерн фрустрированной решетки, команда использовала программируемый квантовый симулятор, построенный в 2017 году. Симулятор использует программу квантового компьютера для удержания атомов в нестандартных формах с помощью лазеров, таких как квадраты, треугольники или соты, и может использоваться для разработки различных квантовые взаимодействия и процессы.

В симуляторе используются сильно сфокусированные лазерные лучи для индивидуального расположения атомов, и, расположив атомы рубидия в решетке с треугольным узором, исследователи смогли создать разрушенный магнит со свойствами квантовой запутанности - где изменения в одном атоме согласовываются за секунду. запутанный атом.

Связи между атомами указывали на то, что квантовая спиновая жидкость действительно была создана.

"Вы можете раздвигать атомы так далеко, как хотите; вы можете изменять частоту лазерного излучения; вы действительно можете изменять параметры природы так, как вы не могли в материале, где эти вещи изучались ранее", - говорит квантовый физик Субир Сачдев из Гарвардского университета. "Здесь вы можете посмотреть на каждый атом и увидеть, что он делает".

Квантовые компьютеры построены на квантовых битах или кубитах, и есть надежда, что квантовые спиновые жидкости помогут в разработке топологических кубитов: кубитов, которые лучше защищены от внешнего шума и помех.

Для квантового компьютера это очень важно. Эти системы могут быть очень хрупкими, и заставить их работать в течение продолжительных периодов времени без ошибок - одна из самых сложных задач, над которыми работают ученые.

Теперь, когда квантовые спиновые жидкости были обнаружены впервые, это должно помочь понять, как сделать кубиты как можно более надежными. Исследователи говорят, что теперь есть еще много чего исследовать.

"Изучение того, как создавать и использовать такие топологические кубиты, станет важным шагом на пути к созданию надежных квантовых компьютеров", - говорит квантовый физик Джулия Семегини из Гарвардского университета.