Фізики виявили специфічне поглинання діелектриком електромагнітного випромінювання, що відповідає збудженню в ньому спинонів.
Міжнародна група дослідників, до якої входять фахівці Лабораторії терагерцевої спектроскопії МФТІ, експериментально виявила специфічне поглинання діелектриком електромагнітного випромінювання.
Характеристики цього поглинання збігаються з теоретичним передбаченням фундаментального виду збудження матеріалу, зробленим 45 років тому 1973 року. Цей квантовий ефект можна описати як збудження спінонів у спиновій рідині. Про своє відкриття автори розповіли в журналі Physical Review Letters.
У системах з великого числа взаємодіючих частинок виникають так звані обурення. Якщо, наприклад, в кристалі змусити рухатися один з атомів у вузлі кристалічної решітки, то він завдяки взаємодії змусить рухатися сусідів, ті в свою чергу своїх сусідів і т. д. Ось і покотилося по кристалу обурення. Фізикам треба вміти описувати поведінку таких обурень, їх поширення по кристалу, взаємодію з ним, з іншими обуреннями і частинками.
У загальному вигляді це зробити практично неможливо через велику кількість частинок і їх складну взаємодію. Але виявилося, що поведінку обурення можна описати, аналогічно поведінці частинок. Такі придумані для опису обурень частинки отримали загальну назву квазічастинки (від латинського quas - «на зразок», «щось на зразок»), а також особисті імена відповідають різним видам обурень. Квазічастиця, що відповідає описаному вище обуренню, отримала назву фонон. Слід враховувати, що квазічастинка може відповідати кільком реальним частинкам. Електрони, як і багато інших елементарних частинок, володіють власним магнітним моментом - спином, який може бути спрямований у двох напрямках: умовно, вгору або вниз. Його значення, залежно від напрямку, вважають рівним +. У системах електронів з сильною взаємодією спинів виникають спинові обурення. Простіше кажучи, якщо перевернути спин одного електрону, то сусідні електрони теж починають перевертатися. І цей переворот спина поширюється по всіх електронах. Такі збудження описується за допомогою квазічастинок магнонів. Їх також називають спиновими хвилями.
Спиновий стан магнона дорівнює 1. Тобто кожен магнон змінює сумарний спин на 1. Подібна квазічастинка спінон - це збудження зі спином, як і у самого електрону. Довгий час спінони не могли виявити, хоча вони були теоретично передбачені ще в 1973 році. До речі, в 1980-х роках фізики, в тому числі і наш співвітчизник Д.І. Хомський, передбачили існування відразу трьох електронних квазічастинок - спинона, холону та орбітона. Спінон визначає поведінку спину електрону, холон - заряду, а орбітон - орбітального положення. Цікаво, що вони можуть переміщатися в речовині з різною швидкістю і навіть у різних напрямках. В останні десятиліття їх існування було підтверджено експериментально.
У цій роботі йдеться про виявлення спінонів у так званій спиновій рідині або в спін-рідинному квантовому стані речовини. Якщо у пари електронів напрямок спину одного електрона сильно залежить від положення спину іншого, при цьому спини паралельні і протилежно спрямовані, то говорять про наявність сильної антиферромагнітної взаємодії. У такому випадку сумарний спин дорівнюватиме нулю. Зазвичай при наявності сильної антиферромагнітної взаємодії матеріали мають при низьких температурах певний магнітний порядок. Його прикладом може служити розташування електронів з протилежними спинами в шаховому порядку. Якщо ж дуже сильна антиферромагнітна взаємодія між вільними електронами є, але ні при яких температурах немає магнітного порядку, то цей квантовий стан називають спиновою рідиною. Нещодавно такі матеріали були експериментально виявлені.
Збудження спінонів вимагає витрат енергії. Тому їх можна виявити за специфічним поглинанням електромагнітних хвиль, якими опромінюють матеріал. Дослідники виявили, що вивчаються матеріали в стані діелектрика, що представляють собою органічні спинові рідини, поглинали електромагнітні хвилі в діапазоні частот від 30 ГГц до 5-6 ТГц сильніше, ніж повинні були. Порівнюючи характеристики поглиненого випромінювання з теоретичними передбаченнями, автори роботи дійшли висновку, що причиною поглинання було саме збудження спінонів. Одночасно отримані результати підтверджують фундаментальну теорію квантової спинової рідини.
Для досліджень виявилися зручними матеріали, звані моттовськими ізоляторами, в яких при високих температурах багато електронів провідності, а при низьких температурах, коли кінетична енергія електронів зменшується, сильне кулонівське відштовхування призводить до того, що ці електрони втрачають можливість рухатися. Вони стають ніби замороженими.
Дослідження спинових явищ становлять великий інтерес у зв'язку з інтенсивним розвитком нового розділу електроніки - спинтроніки, заснованої на використанні не заряду, а спина електрону.
За матеріалами МФТІ