Впервые создан материал со свойствами квантовой жидкости: что это и почему он так важен

Универсальным свойством элементарных частиц, является спин — собственный магнитный момент электрона. Во многих материалах при комнатной температуре спины разупорядочены и двигаются, а застывают (упорядочиваются) они лишь с понижением температуры. Спиновая жидкость – крайне редкое состояние вещества, при котором спины электронов остаются неупорядоченными и продолжают движение даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Возможность существования такого состояния вещества рассматривалась еще на заре квантовой механики, однако к поискам такого материала ученые приступили сравнительно недавно. К настоящему времени, основным кандидатом на реализацию спиновой жидкости является минерал гербертсмитит, в котором ионы меди, как носители магнитного момента, образуют идеальную двумерную решетку кагоме (кагоме – узор японской плетеной посуды с гексагональным мотивом). Благодаря открытию российских ученых в список материалов, потенциально обладающих свойствами спиновой жидкости, добавилось еще одно вещество. Работа, посвященная их исследованию, была опубликована в журнале Inorganic Chemistry. 

Исследователи из МГУ имени М.В. Ломоносова и НИТУ «МИСиС» синтезировали кристаллы хлорид-фосфата оксокупрата натрия и висмута с решеткой типа квадратного кагоме, в котором при охлаждении до -271°C не образуется магнитного порядка. В связи с этим исследователи предположили, что в созданном ими материале при низких температурах спиновая подсистема ведет себя как перепутанная спиновая жидкость. 

«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. 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.

Взаимоотношения описанных слоев часто трактуют, как модель "гость — хозяин". Интересно, что новое соединение было получено при избытке обычной поваренной соли! Соль способствовала формированию матрицы — хозяина, радушно принявшего "гостевой" фрагмент состава с образованием материала с уникальными физическими характеристиками», — поясняет один из авторов исследования, заведующий лабораторией «Функциональные квантовые материалы» НИТУ «МИСиС» Александр Васильев. 

Материал предоставлен пресс-службой НИТУ «МИСиС»