На первый взгляд квантовые материалы не отличаются от обычных веществ, но они, несомненно, делают свое дело: внутри электроны взаимодействуют с необычной интенсивностью, как друг с другом, так и с атомами кристаллической решетки. Это тесное взаимодействие приводит к мощным квантовым эффектам, которые действуют не только в микроскопическом, но и в макроскопическом масштабе. Благодаря этим эффектам квантовые материалы проявляют замечательные свойства. Например, они могут проводить электричество полностью без потерь при низких температурах. Часто даже незначительных изменений температуры, давления или электрического напряжения достаточно, чтобы кардинально изменить поведение материала.

В принципе, магниты также можно рассматривать как квантовые материалы; в конце концов, магнетизм основан на собственном вращении электронов в материале. "В некотором смысле эти вращения могут вести себя как жидкость", - объясняет профессор. Йохен Возница из Дрезденской магнитной лаборатории высокого поля (HLD) в HZDR. "Когда температура падает, эти неупорядоченные вращения могут затем замерзнуть, подобно тому, как вода превращается в лед". Например, определенные виды магнитов, так называемые ферромагнетики, являются немагнитными выше точки их "замораживания" или, точнее, упорядочения. Только когда они опускаются ниже этого уровня, они могут стать постоянными магнитами.

Высокочистый материал

Международная команда намеревалась создать квантовое состояние, в котором выравнивание атомов, связанное со спинами, не упорядочивалось бы даже при ультрахолодных температурах - подобно жидкости, которая не затвердевает даже при экстремальном холоде. Чтобы достичь этого состояния, исследовательская группа использовала специальный материал - соединение элементов празеодима, циркония и кислорода. Они предположили, что в этом материале свойства кристаллической решетки позволят спинам электронов особым образом взаимодействовать со своими орбиталями вокруг атомов.

"Однако необходимым условием было получение кристаллов исключительной чистоты и качества", - говорит профессор. Сатору Накацудзи из Токийского университета объясняет. Потребовалось несколько попыток, но в конце концов команде удалось получить кристаллы, достаточно чистые для их эксперимента: в криостате, своего рода супертермосе, эксперты постепенно охлаждали свой образец до 20 милликельвинов - всего одной пятидесятой градуса выше абсолютного нуля. Чтобы увидеть, как образец отреагировал на этот процесс охлаждения и внутри магнитного поля, они измерили, насколько сильно он изменился в длине. В другом эксперименте группа записала, как кристалл реагировал на ультразвуковые волны, проходящие непосредственно через него.

Интимное взаимодействие

Результат: "Если бы вращения были упорядочены, это должно было вызвать резкое изменение поведения кристалла, например, внезапное изменение длины", - описывает доктор Сергей Жерлицын, эксперт HLD по ультразвуковым исследованиям. "Однако, как мы наблюдали, ничего не произошло! Не было никаких внезапных изменений ни в длине, ни в его реакции на ультразвуковые волны". Вывод: Выраженное взаимодействие спинов и орбиталей препятствовало упорядочению, поэтому атомы оставались в своем жидком квантовом состоянии - впервые такое квантовое состояние наблюдалось. Дальнейшие исследования в магнитных полях подтвердили это предположение.

Этот фундаментальный результат исследования однажды также может иметь практическое значение: "В какой-то момент мы сможем использовать новое квантовое состояние для разработки высокочувствительных квантовых датчиков", - предполагает Йохен Возница. "Однако, чтобы сделать это, нам все еще нужно выяснить, как систематически генерировать возбуждения в этом состоянии". Квантовое зондирование считается многообещающей технологией будущего. Поскольку их квантовая природа делает их чрезвычайно чувствительными к внешним раздражителям, квантовые датчики могут регистрировать магнитные поля или температуры с гораздо большей точностью, чем обычные датчики.