Несостоявшиеся магниты помогут разрешить загадку сверхпроводимости

Эксперимент, проведенный в Принстонском университете, выявил неожиданное поведение разновидности квантовых материалов, несостоявшихся магнитов (frustrated magnete). По мнению авторов открытия, оно может помочь прояснить механизм действия высокотемпературной сверхпроводимости и наметить новые направления совершенствования электронной техники.

Своим названием несостоявшиеся магниты обязаны тем, что не проявляют ожидавшихся от них магнитных свойств при низких температурах. Целью исследования, о котором рассказывается в новом выпуске журнала Science, было проверить — демонстрируют ли такие материалы эффект Холла (отклонение тока во внешнем магнитном поле). Этот явление было открыто в 1879 г. и широко используется в современной технике, например, в датчиках компьютерных принтеров или автомобильных антиблокировочных систем.

Эффект Холла проявляется для носителей заряда, поэтому многие физики полагали, что подобное поведение невозможно для нейтральных или незаряженных частиц, подобных тем, что образуют несостоявшийся магнит.

Тем не менее, некоторые теоретики допускали такую возможность вблизи абсолютного нуля, в условиях, когда поведение частиц подчиняется квантовым законам.

Для того, чтобы найти решающие аргументы в этом затянувшемся споре, исследовательский коллектив сконцентрировал внимание на пирохлорах — классе несостоявшихся магнитов, также называемом квантовым спиновым льдом.

«Эти материалы представляют особенный интерес, по мнению теоретиков, они обладают склонностью к выстраиванию спинов, но из-за геометрической несостоятельности спины перепутываются вместо того, чтобы упорядочиваться», — пишет профессор физики Фуан Онг (N. Phuan Ong).

Трудоемкие измерения проводились при 0,5 Кельвин и требовали регистрировать различие температур на противоположных гранях кристалла, составляющие тысячные доли градуса.

Кристаллические образцы пирохлора синтезировали в печи из оксидов тербия и титана при локальной температуре, достигавшей 1800 °C. К концам каждого кристалла прикрепляли золотые электроды и, с помощью микронагревателей создавали внутри образца тепловой ток. При экстремально низких температурах такой ток аналогичен электрическому в обычных экспериментах с эффектом Холла.

Приложив магнитное поле перпендикулярно направлению тока, ученые наблюдали смещение теплового потока к одной из сторон кристалла. Существование эффекта Холла в немагнитном материале было подтверждено и контрольным экспериментом — при изменении направления тока на обратное, отклонение происходило к другой стороне образца.

Одним из наиболее интересных направлений дальнейших исследований может стать «охота на спинон». Эта гипотетическая частица используется в одной из гипотез, объясняющих происхождение высокотемпературной сверхпроводимости. По мнению некоторых теоретиков, именно спиноны могут быть элементарными носителями теплового потока в квантовых системах, подобных пирохлорам из вышеописанного эксперимента.