Спинон сорвался с цепи — и внёс хаос в материю, магнетизм и всё, во что мы верили
NewsMakerОдинокая частица. Один шаг. Один сбой — и вся Вселенная уже не та.
Учёные впервые доказали , что спинон — квантовая квазичастица, ранее считавшаяся неотделимой от своей пары — способен существовать и перемещаться самостоятельно. Это открытие переосмысляет фундаментальные представления о магнитных взаимодействиях в квантовых системах и может оказать влияние на разработку технологий будущего — от квантовых компьютеров до новых типов магнитных материалов.
Такие частицы возникают в условиях низкоразмерных квантовых структур, особенно в одномерных спиновых цепочках — упорядоченных последовательностях электронов, взаимодействующих через спин. Если в такой системе изменить направление спина одного электрона, это вызывает цепную реакцию: волна возбуждения распространяется вдоль цепи и ведёт себя как отдельный объект с половинным спином. Именно такая коллективная модуляция и формирует спинон.
Впервые идея дробления целочисленного спина на две независимые половинки была выдвинута в 1980-х годах Людвигом Фаддеевым и Леоном Тахтаджяном. Они предложили теоретическую модель, в которой возбуждение с \(S=1\) распадается на две частицы с \(S=1/2\). Это ставило под сомнение классическое представление о неделимости квантовых чисел. Однако с тех пор экспериментально наблюдали лишь парные спиноны, что укрепило мнение об их неразрывной связи.
И вот теперь работа исследователей из Университета Варшавы и Университета Британской Колумбии оспаривает этот устоявшийся взгляд. Используя модель Гейзенберга, описывающую спиновые взаимодействия в цепочках, учёные показали, что добавление одного лишнего спина позволяет появиться изолированному возбуждению, которое свободно перемещается по цепи. Причём поведение одиночной частицы сохраняется как в основном квантовом состоянии, так и в более простой модели — валентно-связанном кристалле (VBS).
Особую значимость придаёт открытию то, что оно подтверждено экспериментально. В исследовании под руководством Чжао были зафиксированы характерные возбуждения с \(S=1/2\) в антисегнето-магнитных структурах на основе нанографена. Эти результаты удивительным образом совпадают с теоретическим описанием свободного спинона.
Факт изолированного существования такого возбуждения может иметь далеко идущие последствия. Оно тесно связано с явлением квантовой запутанности — ключевым понятием в области квантовых вычислений и коммуникаций. Более того, спиновые квазичастицы играют роль в формировании нетривиальных состояний материи — от высокотемпературной сверхпроводимости до спиновых жидкостей , в которых отсутствует обычный порядок даже при абсолютном нуле.
Да и вообще глубокое понимание механизмов поведения возбуждений открывает перспективы создания новых типов магнитных носителей и компонентов для квантовых устройств. Возможность точно управлять одиночными спиновыми сигналами может стать основой для надёжных кубитов и стабильных квантовых логических элементов.
«Наше исследование не только углубляет фундаментальные представления о природе магнетизма, но и потенциально применимо в смежных направлениях физики и технологий», — комментирует профессор Кшиштоф Вольфельд из Варшавского университета.
Учёные впервые доказали , что спинон — квантовая квазичастица, ранее считавшаяся неотделимой от своей пары — способен существовать и перемещаться самостоятельно. Это открытие переосмысляет фундаментальные представления о магнитных взаимодействиях в квантовых системах и может оказать влияние на разработку технологий будущего — от квантовых компьютеров до новых типов магнитных материалов.
Такие частицы возникают в условиях низкоразмерных квантовых структур, особенно в одномерных спиновых цепочках — упорядоченных последовательностях электронов, взаимодействующих через спин. Если в такой системе изменить направление спина одного электрона, это вызывает цепную реакцию: волна возбуждения распространяется вдоль цепи и ведёт себя как отдельный объект с половинным спином. Именно такая коллективная модуляция и формирует спинон.
Впервые идея дробления целочисленного спина на две независимые половинки была выдвинута в 1980-х годах Людвигом Фаддеевым и Леоном Тахтаджяном. Они предложили теоретическую модель, в которой возбуждение с \(S=1\) распадается на две частицы с \(S=1/2\). Это ставило под сомнение классическое представление о неделимости квантовых чисел. Однако с тех пор экспериментально наблюдали лишь парные спиноны, что укрепило мнение об их неразрывной связи.
И вот теперь работа исследователей из Университета Варшавы и Университета Британской Колумбии оспаривает этот устоявшийся взгляд. Используя модель Гейзенберга, описывающую спиновые взаимодействия в цепочках, учёные показали, что добавление одного лишнего спина позволяет появиться изолированному возбуждению, которое свободно перемещается по цепи. Причём поведение одиночной частицы сохраняется как в основном квантовом состоянии, так и в более простой модели — валентно-связанном кристалле (VBS).
Особую значимость придаёт открытию то, что оно подтверждено экспериментально. В исследовании под руководством Чжао были зафиксированы характерные возбуждения с \(S=1/2\) в антисегнето-магнитных структурах на основе нанографена. Эти результаты удивительным образом совпадают с теоретическим описанием свободного спинона.
Факт изолированного существования такого возбуждения может иметь далеко идущие последствия. Оно тесно связано с явлением квантовой запутанности — ключевым понятием в области квантовых вычислений и коммуникаций. Более того, спиновые квазичастицы играют роль в формировании нетривиальных состояний материи — от высокотемпературной сверхпроводимости до спиновых жидкостей , в которых отсутствует обычный порядок даже при абсолютном нуле.
Да и вообще глубокое понимание механизмов поведения возбуждений открывает перспективы создания новых типов магнитных носителей и компонентов для квантовых устройств. Возможность точно управлять одиночными спиновыми сигналами может стать основой для надёжных кубитов и стабильных квантовых логических элементов.
«Наше исследование не только углубляет фундаментальные представления о природе магнетизма, но и потенциально применимо в смежных направлениях физики и технологий», — комментирует профессор Кшиштоф Вольфельд из Варшавского университета.