Ученые ORNL создали магнитный материал с решеткой «сот» для квантовых технологий

В Национальной лаборатории Ок-Ридж группа исследователей разработала новый магнитный материал с кристаллической структурой, которая напоминает пчелиные соты. Этот материал, известный как арсенат кобальта-калия, демонстрирует значительный потенциал для создания квантовых спиновых жидкостей — экзотического состояния вещества, характеризующегося наличием фермионов Майораны. Эти квазичастицы представляют собой перспективный объект для применения в квантовых технологиях, открывая новые горизонты в области квантовой информатики и вычислительной техники.

Арсенат кобальта-калия обладает рядом уникальных структурных и функциональных характеристик, которые делают его особенно привлекательным для дальнейших исследований:

• Атомная решетка материала имеет структуру, аналогичную пчелиным сотам, с центральными атомами кобальта, окруженными атомами кислорода.

• Незначительные изменения в структуре материала способствуют усилению магнитной спиновой корреляции, что приводит к упорядочению спиновых состояний.

• Химическая модификация или воздействие сильным магнитным полем позволяют целенаправленно управлять взаимодействием между спинами, что открывает возможность достижения состояния квантовой спиновой жидкости.

В состоянии квантовой спиновой жидкости магнитные спины находятся в перманентном движении, создавая фермионы Майораны — экзотические квазичастицы, обладающие уникальными свойствами, такими как нулевая энергия и неабелево статистическое поведение. Эти частицы представляют собой ключевой элемент для разработки квантовых компьютеров нового поколения, способных решать задачи, недоступные для классических вычислительных систем.

Применение технологий, основанных на квантовых спиновых жидкостях, имеет широкий спектр потенциальных направлений: от защиты информации и криптографии до разработки новых источников энергии и систем национальной безопасности. Однако на данный момент материал находится в упорядоченном магнитном состоянии, в котором взаимодействие между спинами недостаточно выражено для перехода в состояние квантовой спиновой жидкости, как это предсказывал физик Алексей Китаев для идеальных "сотовых" структур.

Для достижения желаемого состояния ученые рассматривают несколько стратегий, включая изменение химического состава материала и приложение внешнего давления. Эти методы направлены на изменение баланса взаимодействий между спинами и создание условий, при которых фермионы Майораны могут быть эффективно локализованы и управляемы.

Таким образом, разработка и исследование арсената кобальта-калия представляют собой важный шаг в направлении создания материалов, способных поддерживать квантовые спиновые жидкости и фермионы Майораны, открывая новые перспективы для развития квантовых технологий и их применения в различных областях науки и техники.