Физики-теоретики регулярно работают с квантово-механическими моделями с участием квантовых спиновых жидкостей, но убедительных доказательств их существования в реальных материалах обнаружить не удавалось. Расследование, проведенное физиками Германии и США с помощью вычислительных средств, подтвердило, что пирохлор цирконата церия можно классифицировать как трехмерную квантовую спиновую жидкость.

Несмотря на свое названием, квантовая спиновая жидкость — твердый материал, в котором квантовая запутанность и геометрическая структура атомов нарушают естественную склонность электронов к магнитному упорядочиванию по отношению друг к другу. Эта геометрическая фрустрация настолько сильна, что электроны совершают колебания между квантовыми магнитными состояниями, какими холодными бы ни становились, пишет Science Daily.

Спин — природное свойство электронов, которое обуславливает магнетизм. Каждый электрон ведет себя как крошечный магнит с двумя полюсами, указывающими вверх или вниз. В большинстве материалов распределение спинов случайное, но в магнитах или антиферромагнетиках есть свои закономерности.

При крайне низких температурах квантовые эффекты становятся заметнее, и это заставляет электроны ориентировать свои спины в одном направлении. Но квантовая спиновая жидкость — это исключение, спины в ней не направлены в одну сторону, вне зависимости от понижения температуры.

В 2019 году группа физиков наткнулась на первые свидетельства того, что цирконид церия в структуре пирохлора является квантовой спиновой жидкостью. Но доказать это ученые смогли только недавно, применив численные методы Монте-Карло, диагонализацию и аналитические инструменты для вычисления спиновой динамики квантово-механической модели пирохлора цирконида церия.

Особенный интерес физиков вызывает связь квантовых спиновых жидкостей с экспериментальной реализацией магнитных монополей, теоретических частиц, о существовании которых ученые еще спорят. В магнитах пирохлора частицы во многом ведут себя как квантовые магнитные монополи, хотя, как известно, в чистом виде во Вселенной их нет.