Экзотические магнитные состояния в миниатюрных размерах
Все мы привыкли к мысли, что более простые элементы в природе взаимодействуют, образуя сложные структуры. Возьмем, к примеру, иерархию жизни, где атомы объединяются в молекулы, молекулы объединяются в клетки, клетки объединяются в ткани и так далее, что в конечном итоге приводит к образованию сложных организмов, таких как люди.
Художественная визуализация триангуленовой квантовой спиновой цепочки, адсорбированной на поверхности золота и исследованной острым концом сканирующего туннельного микроскопа. В то время как каждая единица триангулена имеет общий спин, равный 1, квантовые корреляции в цепочке приводят к фракционированию спинов, так что конечные единицы триангулена демонстрируют спин, равный половине. Кредит: Empa
Однако в квантовом мире этот процесс может иметь обратный характер, когда взаимодействие между двумя сложными объектами приводит к появлению более простых видов.
Все элементарные частицы обладают «спином» – фундаментальным свойством, определяющим их взаимодействие с магнитными полями. Спины квантуются, что означает, что они могут принимать только дискретные значения. Электроны имеют наименьший возможный спин, который может принимать два дискретных значения, в то время как следующие простейшие системы – это те, у которых спин принимает три дискретных значения – они называются спином 1/2 и спином 1 соответственно.
В 1980-х годах было предсказано, что одномерная цепочка взаимодействующих единиц со спином 1 должна быть «дробной», так что конечные единицы цепи ведут себя, как это ни парадоксально, как объекты со спином 1/2. Следовательно, подобно магам, которые, кажется, видят человека на две половины и разрывают их, квантовые корреляции в цепочке делят спин 1 на две сущности со спином ½.
Одномерные магнитные цепочки, собранные из молекул
Проверить это предсказание в лаборатории было сложно по разным причинам, главная из которых заключалась в том, что обычные материалы не одномерны. Хотя косвенные доказательства спинового фракционирования были замечены в кристаллах металлоорганических цепочек, содержащих ионы переходных металлов, прямое наблюдение этого явления остается неуловимым.
Теперь международная группа исследователей нашла замечательный способ совершить этот подвиг. Объединив органическую химию и науку о поверхности в сверхвысоком вакууме, команда создала цепочки треугольного полициклического ароматического углеводорода со спином 1, известного как триангулен.
Затем с помощью сканирующего туннельного микроскопа ученые исследовали магнитные возбуждения этих спиновых цепочек на поверхности золота. Они обнаружили, что за пределами определенной длины концевые триангуленовые звенья цепочек проявляют резонансы Кондо – характерные спектральные отпечатки квантовых объектов со спином 1/2, контактирующих с металлической поверхностью.
Исследователи полагают, что легкодоступные молекулярные спиновые системы, демонстрирующие сильно коррелированное поведение электронов, станут плодородной площадкой для разработки и проверки новых теоретических концепций. Помимо изучения линейных спиновых цепочек, ученые также сосредотачиваются на двумерных сетях квантовых магнитов. Такие спиновые сети являются многообещающей материальной платформой для квантовых вычислений.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
