Аннотация:
Исследовательская группа Университета Осаки в Японии недавно добилась прогресса в материаловедении: исследователи использовали относительно распространенный металлический кобальт для создания локальной сотовой структуры кобальта в оксидной пленке с существующей сотовой кристаллической структурой и наблюдали особый магнетизм, присущий квантовым материалам Китаевского типа. Это достижение обеспечивает новую систему материалов, которая не использует редкие металлы, такие как рутений и иридий, для изучения экзотических квантовых состояний, таких как квантовые спиновые жидкости.
В качестве основного материала исследователи выбрали антимонат натрия (NaSbO₃), который сам по себе имеет слоистую сотовую структуру. Исследовательская группа добавила к нему около 4% кобальта, что позволило атомам кобальта локально сформировать сотовую структуру CoO₆, не разрушая исходную крупномасштабную кристаллическую структуру.
Затем исследователи использовали микроскопический анализ, чтобы подтвердить, что атомы кобальта действительно агрегировались в локальную сотовую структуру, как и предсказывает теория, и никакой очевидной нежелательной второй фазы не образовалось. Это важно, поскольку для создания материала с особым квантовым магнетизмом недостаточно просто добавить один элемент в другой кристалл. Легирующие атомы также должны образовывать достаточно стабильную локальную структуру с определенным геометрическим расположением.
Ключ к этому исследованию лежит в самой структуре сот. Материалы Китаева ценятся физиками, потому что специфическая сотовая решетка и магнитные взаимодействия могут создавать совершенно особые квантовые состояния, наиболее интересными из которых являются квантовые спиновые жидкости.
В обычных магнитных материалах спины большого числа атомов имеют тенденцию в конечном итоге располагаться в соответствии с определенными правилами, например, образуя ферромагнитную или антиферромагнитную структуру. Но в квантово-спиновых жидкостях, даже если температура снижается до очень низкого уровня, спины могут быть не способны формировать дальний магнитный порядок в традиционном смысле из-за квантовых флуктуаций, но сохранять сильно запутанное динамическое состояние.
Этот тип материала всегда был важным объектом исследований квантовой физики. Теоретически некоторые квантово-спиновые жидкости могут иметь совершенно особые квазичастичные возбуждения и топологические свойства, и поэтому считаются потенциально важными для будущих квантовых вычислений и исследований новых квантовых устройств. Однако этот тип материала еще далек от фактического использования в квантовых вычислениях.
Ранее большое количество исследований материалов Китаева было сосредоточено на соединениях, содержащих рутений и иридий, поскольку эти элементы могут обеспечивать такие свойства, как сильная спин-орбитальная связь, необходимая для исследования. Однако и рутений, и иридий являются относительно редкими и дорогими элементами, что в определенной степени ограничивает масштабное получение и дальнейшее изучение применения родственных материалов.
Вот почему кобальт вызывает беспокойство у исследователей. Кобальт — относительно распространенный переходный металл, который широко используется в батареях, сплавах, производстве полупроводников и других областях. Его стоимость и предложение, как правило, более благоприятны для крупномасштабного использования, чем рутений и иридий. Исследовательская группа надеется проверить ключевой вопрос: можно ли заставить кобальт сформировать сотовую структуру, подобную той, что есть в материале Китаева, и таким образом получить магнитные свойства, имеющие исследовательскую ценность.
Результаты экспериментов показывают, что эта идея действительно осуществима. Магнитные измерения показали, что материал находится в ферромагнитном состоянии при температуре около 88 Кельвинов, что составляет около минус 185 градусов по Цельсию. Теоретические расчеты показывают, что такое магнитное поведение тесно связано с расположением атомов кобальта в локальной сотовой структуре CoO₆.
В ходе исследования также установлено, что в материале наблюдается межслойная антиферромагнитная связь, то есть, хотя локальная структура обладает магнитными характеристиками, подобными ферромагнетику, направления магнитных взаимодействий между разными слоями различны. Это сложное магнитное взаимодействие является важной основой для изучения новых квантовых магнитных материалов.
Однако исследователи также четко подчеркнули, что в настоящее время нет никаких доказательств того, что этот материал на основе кобальта сформировал квантовую спиновую жидкость. Поэтому неправильно называть это достижение напрямую «открытием квантовой спиновой жидкости, которую можно использовать для квантовых вычислений». Более точным утверждением на данном этапе является то, что исследовательская группа создала новую материальную платформу с магнитными характеристиками Китаевского типа и на основе более распространенного элемента кобальта.
Еще одно важное значение этой работы заключается в том, что исследователи не создавали сотовую структуру принудительно с помощью чрезвычайно сложной технологии искусственного расположения атомов. Вместо этого они включили кобальт в NaSbO₃, который уже имеет сотовую решетку, и позволили атомам кобальта самостоятельно сформировать локальную сотовую структуру CoO₆.
Исследователи заявили, что способность этих кобальтовых сотовых структур формироваться естественным путем и производить очевидные магнитные сигналы, предсказанные теорией, является захватывающим результатом этой работы. Это означает, что аналогичные идеи дизайна материалов могут быть использованы в будущем, выбирая обычные материалы с определенной структурой решетки в качестве «шаблонов», а затем добавляя соответствующие магнитные элементы для создания квантовых материалов, которые в прошлом могли полагаться только на редкие элементы.
В настоящее время исследовательская группа продолжает дорабатывать структуру материала и более детально тестировать его квантовые свойства. Важные вопросы на следующем этапе включают в себя, можно ли дополнительно усилить и контролировать соответствующие магнитные взаимодействия, и может ли материал перейти в квантовое состояние, более близкое к теоретической модели Китаева, путем изменения концентрации, кристаллической структуры и межслоевого взаимодействия кобальта.
Поэтому значимость этого исследования временно больше отражается в области фундаментального материаловедения и исследований квантового магнетизма, а не непосредственного создания нового квантового компьютерного чипа. Что на самом деле он предлагает, так это новый путь проектирования материалов: использование кобальта, запасы которого относительно богаты и относительно дешевы, для создания локальных специальных магнитных структур в существующих материалах с сотовой решеткой, тем самым уменьшая зависимость от редких элементов, таких как рутений и иридий.
Если последующие исследования смогут доказать, что эта система на основе кобальта обладает более сильной квантовой запутанностью, топологическим возбуждением или другими квантовыми характеристиками Китаевского типа, то она может стать важной экспериментальной платформой для изучения квантовых спиновых жидкостей и новых квантовых материалов, а также может открыть новые направления для будущих исследований квантовых материалов, которые легче производить в больших масштабах.
Комментарии