Международная научная группа, в которую входят ученые Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, экспериментально обнаружила особый тип поглощения электромагнитного излучения диэлектриком. Характеристики поглощения совпадают с теоретическим предсказанием нового фундаментального вида возбуждения материала. Это открытие поможет исследователям в создании квантово-электронных систем. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Про спиновую жидкость

У электронов, как и многих других элементарных частиц, существует собственный магнитный момент — спин, который может быть направлен в двух направлениях: условно, вверх или вниз. Его значение, в зависимости от направления, может быть равно +½ или -½. Если положение спина одного электрона сильно зависит от положения спина другого, а именно, спины сориентированы параллельно и противоположно направлены, говорят о наличии сильного антиферромагнитного взаимодействия. В таком случае суммарный спин будет равен нулю, но поскольку у каждого электрона спин по ½, у одного будет +½, у другого -½. Обычно при наличии сильного антиферромагнитного взаимодействия материалы создают при низких температурах определенный магнитный порядок, то есть в каждой точке пространства в материале четко определено направление магнитного момента.

Квантовое состояние в системах со свободными электронами, при котором между спинами электронов есть очень сильное антиферромагнитное взаимодействие, но ни при каких температурах нет магнитного порядка, называют спиновой жидкостью. И такие материалы недавно были экспериментально найдены.

Сильное антиферромагнитное взаимодействие предполагает, что температуры, при которых это взаимодействие не расшатывается хаотическим тепловым движением, довольно высокие. В спин-жидкостных материалах это где-то -70℃. Таким образом, в состоянии спиновой жидкости у вещества есть сильный магнитный обмен, но нет магнитного порядка.

Про спиноны

Один из признаков спиновой жидкости — это возможность возбудить спиновую подсистему. Если система будет поглощать электромагнитную энергию, она будет переходить в какое-то устойчивое возбужденное состояние. Если вещество находится в основном состоянии спиновой жидкости, элементарная составляющая этого возбужденного электронного состояния будет называться спинон. Разобраться в природе спинонов можно на примере другого вида возбуждения — магнонов. Это магнитные возбуждения, связанные с магнитным моментом.

«Пусть все электроны антиферромагнитно упорядочены. И вы у одного электрона переворачиваете спин. Он перестает быть антиферромагнитно упорядоченным по отношению к своим соседям. Тогда соседние электроны тоже начинают переворачиваться. И этот переворот спина распространяется по всем электронам. Это возбуждение и описывается с помощью магнонов», — поясняет соавтор статьи заместитель заведующего Лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ Елена Жукова.

Характеристикой магнона является то, что спиновое состояние равно 1. То есть это целочисленное возбуждение, поскольку в нем всегда участвуют два спина: один перевернулся — он сразу же перевернет своих соседей. Спинон же, напротив, нецелочисленная квазичастица — это возбуждение со спином ½ и зарядом 0.

Долгое время спиноны не могли обнаружить, хотя они были теоретически предсказаны еще в 1973 году.

Про работу

Одним из методов обнаружить возбуждение спинонов — это исследовать материал, в котором при переходе в возбужденное состояние квантовой спиновой жидкости за счет повышения температуры включается сильное взаимодействие спинов (у которых нет заряда) с электронами. Такие спин-зарядовые корреляции, как было показано теоретически, должны приводить к поглощению электромангнитной волны.

«Были попытки обнаружить это взаимодействие. Но получаемые данные только качественно совпадали с теорией. Наше исследование говорит, что для того, чтобы обнаружить спиноны, необходимо использовать материал, у которого при высоких температурах много электронов проводимости, но при понижении температуры они все становятся сильно локализованы за счет кулоновского отталкивания. Под такое описание идеально подходят так называемые моттовские изоляторы. Если вы понижаете температуру такого материала, то есть понижаете кинетическую энергию электронов, их кулоновское отталкивание начинает превалировать — электроны теряют возможность двигаться. Они становятся замороженными», — рассказывает Елена Жукова.

В сильных моттовских изоляторах с разупорядоченной спиновой подсистемой, в которых электроны совсем неподвижны, становится возможным наблюдать спиноны методами терагерцовой оптической спектроскопии, в диапазоне частот от 30 ГГц до 5-6 ТГц. Авторы обнаружили это возбуждение в виде дополнительного поглощения электромагнитной волны на низких частотах, характеристики которого очень похожи на теоретически предсказанные.

«Исследованные нами материалы в состоянии диэлектрика поглощали электромагнитные волны сильнее, чем, казалось бы, должны были, причиной чего было возбуждение спинонов. И поскольку этот эффект сугубо квантовый, его будет необходимо учитывать при создании устройств квантовой электроники, которая использует принципы квантовой природы носителей заряда», — заключает Елена Жукова.

Полученные результаты подтверждают фундаментальную теорию квантовой спиновой жидкости.