Твердое тело состоит из атомов, которые более или менее заперты в упорядоченной структуре. Жидкость, с другой стороны, состоит из атомов, которые могут свободно перемещаться вокруг и мимо друг друга. Но представьте себе атомы, которые остаются незамороженными, как в жидкости, но находятся в постоянно меняющемся магнитном беспорядке.
Тогда вы получите невиданное ранее состояние материи, состояние квантовой странности, называемое квантовой спиновой жидкостью. Теперь, осторожно манипулируя атомами, исследователи сумели создать это состояние в лаборатории. Исследователи опубликовали свою работу в журнале Science 2 декабря.
Ученые годами обсуждали теории о спиновых жидкостях. "Но мы действительно заинтересовались этим, когда теоретики здесь, в Гарварде, наконец, нашли способ реального создания квантовых спиновых жидкостей", - говорит Джулия Семегини, физик и постдок Гарвардского университета, которая координировала исследовательский проект и была одним из авторов статьи.
В экстремальных условиях, которые обычно не встречаются на Земле, правила квантовой механики могут превратить атомы во всевозможную экзотику. Возьмем, к примеру, вырожденную материю, находящуюся в сердцах мертвых звезд, таких как белые карлики или нейтронные звезды, где экстремальные давления превращают атомы в кашицу из субатомных частиц. Или, например, конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором несколько атомов при очень низкой температуре как бы сливаются вместе и действуют как единое целое (за его создание в 2001 году была присуждена Нобелевская премия по физике).
Квантовая спиновая жидкость - это последняя запись в бестиарии криптидных состояний. Ее атомы не застывают в каком-либо упорядоченном состоянии, и они постоянно находятся в движении.
Спин" в названии обозначает свойство, присущее каждой частице - либо вверх, либо вниз, - которое порождает магнитные поля. В обычном магните все спины направлены вверх или вниз в строгом порядке. В квантовой спиновой жидкости, с другой стороны, есть третий спин. Это препятствует образованию когерентных магнитных полей.
Это, в сочетании с эзотерическими правилами квантовой механики, означает, что спины постоянно находятся в разных положениях одновременно. Если вы рассматриваете всего несколько частиц, трудно сказать, есть ли у вас квантовая жидкость, а если есть, то какими свойствами она обладает.
Квантовые спиновые жидкости были впервые теоретизированы в 1973 году физиком Филипом В. Андерсоном, и с тех пор физики пытаются получить доступ к этой материи. "Многие различные эксперименты... пытались создать и наблюдать этот тип состояния. Но на самом деле это оказалось очень сложно", - говорит Михаил Лукин, физик из Гарвардского университета и один из авторов статьи.
В арсенале исследователей из Гарварда появился новый инструмент: то, что они называют "программируемым квантовым симулятором". По сути, это машина, позволяющая играть с отдельными атомами. Используя специально сфокусированные лазерные лучи, исследователи могут перемещать атомы по двухмерной сетке, как магниты на доске.
"Мы можем контролировать положение каждого атома в отдельности", - говорит Семегини. "Мы можем расположить их по отдельности в любой форме, какой захотим".
Более того, чтобы определить, удалось ли им создать квантовую спиновую жидкость, исследователи воспользовались тем, что называется квантовой запутанностью. Они подали энергию на атомы, которые начали взаимодействовать: изменения в свойствах одного атома отражались на другом. Изучив эти связи, ученые нашли нужное им подтверждение.
Все это может показаться созданием абстрактной материи ради абстрактной материи - но в этом и заключается часть привлекательности. "Мы можем как бы прикасаться к ней, тыкать, играть с ней, даже в некотором роде разговаривать с этим состоянием, манипулировать им и заставлять его делать то, что мы хотим", - говорит Лукин. "Вот что действительно интересно".
Но ученые считают, что квантовые спиновые жидкости могут найти и ценное применение. Достаточно заглянуть в сферу квантовых компьютеров.
Квантовые компьютеры способны значительно превзойти свои традиционные аналоги. По сравнению с современными компьютерами, квантовые компьютеры могут создавать более совершенные симуляции таких систем, как молекулы, и гораздо быстрее выполнять определенные вычисления.
Но то, что ученые используют в качестве строительных блоков квантовых компьютеров, может оставлять желать лучшего. Эти блоки, называемые кубитами, часто представляют собой такие вещи, как отдельные частицы или атомные ядра, которые чувствительны к малейшему шуму или колебаниям температуры. Квантовые спиновые жидкости, информация в которых хранится в том, как они устроены, могут стать менее привередливыми кубитами.
Если исследователи смогут продемонстрировать, что квантовая спиновая жидкость может быть использована в качестве кубита, говорит Семегини, это может привести к созданию совершенно нового типа квантового компьютера.