Нейтронное рассеяние подтверждает обнаружение майорановских фермионов

Изучив при помощи методов нейтронографии кристалл трихлорида альфа-рутения, физики убедились в необычных магнитных свойствах этого вещества. Согласно предсказаниям теории, этот материал при низких температурах должен проявлять признаки квантовой спиновой жидкости. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Science.

Квантовая спиновая жидкость — это особое состояние вещества, в котором спины не упорядочиваются даже при сверхнизких температурах и ведут себя подобно жидкости. Одна из возможных реализаций этого явления описывается моделью, предложенной физиком Алексеем Китаевым. Эта модель представляет собой сеть спинов на шестиугольной решетке и должна проявлять свойства майорановских фермионов в качестве возбужденных состояний. Этот специальный тип частиц, предложенный теоретиком Этторио Майораной в 1937 году, характеризуется специфическим свойством: в этом случае частица и античастица совпадают.

В 2016 году в журнале Nature Methods вышла статья, где авторы предполагали наличие свойств квантовой спиновой жидкости в трихлориде альфа-рутения. «Новое исследование — это сбывшаяся надежда, — говорит ведущий автор статьи Арнаб Банержи из американской Национальной лаборатории Оук-Ридж. — До этого мы предполагали, что данное вещество проявляет свойства майорановских фермионов, но мы использовали порошок, что скрыло многие важные детали. Теперь мы изучили монокристалл и подтвердили, что магнитный спектр соответствует идее о присутствии таких частиц».

Отсутствие заряда у нейтронов и наличие у них магнитного момента позволяет изучать магнитные свойства материалов без воздействия на целостность атомной структуры. «Наши измерения неупругого рассеяния нейтронов показывают явные признаки магнитных возбуждений, которые очень напоминают предсказания для квантовой спиновой жидкости в модели Китаева», — поясняет соавтор Стив Наглер. Особый интерес данное открытие имеет для области квантовых вычислений, для которых майорановские фермионы являются очень удобными элементами.