Исследование, проведенное исследователями из Института квантовой материи Блюссона Университета Британской Колумбии (UBC Blusson QMI), обнаружило редкую форму одномерного квантового магнетизма в металлическом соединении ti₄mnbi₂, что дает доказательства фазового пространства, которое до сих пор оставалось в основном теоретическим. Исследование, опубликованное в Nature Materials, проводится в период растущего глобального интереса к квантовым материалам, которые переопределяют границы между магнетизмом, проводимостью и квантовой когерентностью.

"Мы доказали существование нового класса квантовых материалов, которые одновременно являются металлическими и одномерными магнитами, с сильной связью между магнитными моментами и их металлическим носителем", - сказал исследователь QMI профессор Блуссон из UBC. Мейган Аронсон.

"Практически все изученные до сих пор системы с вращающимися цепями являются изоляторами, которые в конечном счете становятся трехмерными при низкой температуре из-за связи между цепями. Это означает, что характерные неустойчивости квантовых металлов: сверхпроводимость, переходы металл-изолятор, а также происхождение самого магнетизма еще не установлены в системах, которые действительно являются одномерными, ни экспериментально, ни (в меньшей степени) теоретически", - говорит профессор. - сказал Аронсон.

Спиновая цепочка - это одномерное расположение крошечных магнитов, называемых спинами, которые взаимодействуют друг с другом. Используя измерения рассеяния нейтронов, дополненные группой перенормировки матрицы плотности (DMRG) и расчетами электронной структуры, команда смогла показать, что Ti4 mnbi2 является реализацией очень специфической физической модели, _{состоящей} из спиновых цепочек, где взаимодействия между спинами сильно нарушены, что приводит к богатому набору упорядоченных фаз которые существуют только при нулевой температуре.

В отличие от трехмерных систем, которые упорядочиваются при ненулевых температурах, одномерные системы, такие как ti₄mnbi₂, не подвергаются истинному упорядочению из-за сильных квантовых флуктуаций, которые доминируют в большинстве измеримых величин. Ti₄mnbi₂ - это всего лишь _вторая известная металлическая система с _{подтвержденным} одномерным магнетизмом (другая - Yb2pt2pb) и первая, в которой магнетизм и металлический носитель сильно переплетены.

"Доказав, что эта золотая середина существует, ti₄mnbi₂ представляет собой важный шаг на пути к созданию широкого квантового ландшафта, готового к исследованию. Вполне возможно, что продемонстрированное нами превосходное соответствие между экспериментом и теорией вычислений могло бы послужить ориентиром для квантового моделирования. В частности, мы заинтересованы в использовании результатов рассеяния нейтронов в качестве основы для сравнения с различными теоретическими показателями квантовой запутанности", - сказал профессор. - сказал Аронсон.

Исследование стало возможным благодаря совместной экспертизе, размещенной в UBC Blusson QMI. На экспериментальном фронте в команду входили доктор Сиян Ли и доктор Мохаммед Уда, в то время как теоретическим моделированием и анализом руководили научные сотрудники доктор Альберто Ночера и доктор Екатерина Фоевцова, а также исследователи проф. Джордж Савацки и проф. Мейган Аронсон. Эксперименты по рассеянию нейтронов, которые имели решающее значение для определения поведения квантового спина, были проведены с использованием приборов в J-PARC в Японии.

Устраняя разрыв между традиционными магнитными изоляторами и более сложными электронными системами, исследование открывает новые возможности для достижений в области спинтроники и квантовых вычислений.

"Наша работа представляет собой идеальный испытательный стенд для демонстрации квантовых преимуществ в контексте квантово-аналогового моделирования. Это также дает информацию, которая может быть полезна для разработки уникальных магнитных запоминающих устройств с высокой плотностью и скоростью", - сказал научный сотрудник QMI UBC Blusson доктор Альберто Ночера.

"Мы вырастили более 100 партий высококачественных монокристаллов этого материала, причем более 400 кристаллов были совмещены для использования в экспериментах по рассеянию нейтронов", - сказал доктор Сиян Ли, первый автор исследования и научный сотрудник UBC Blusson QMI. "Наши результаты открывают новые возможности для продолжайте изучать новые материальные системы с захватывающими приложениями для новых квантовых технологий".