«Электрон из двух частей»: в экспериментах при сверхнизких температурах подтвердили существование спинонов

Физики нашли экспериментальное свидетельство спин-зарядового разделения в квантовой спиновой жидкости при сверхнизких температурах в сильном магнитном поле. Измеряя теплопроводность кристалла хлорида рутения вблизи абсолютного нуля, они обнаружили квантовые осцилляции — периодические изменения свойств вещества в зависимости от магнитного поля. Такие осцилляции характерны для металлических кристаллов, тогда как хлорид рутения — хороший изолятор. Их открытие в веществе-изоляторе подтверждает давние теоретические предсказания о «двойной природе» электрона: в определённых экстремальных условиях его можно рассматривать как составную частицу, сложенную из двух квазичастиц, одна из которых отвечает за перенос заряда, а другая — за его собственный магнитный момент, или спин.

Исследования определённого типа материалов при температурах вблизи абсолютного нуля отвечают теоретическим предсказаниям, сделанным несколько десятилетий назад для описания особого состояния некоторых веществ при сверхнизких температурах — квантовой спиновой жидкости. Название здесь обманчиво: естественно, вещество при таких низких температурах не находится в жидком состоянии, и термин относится к невозможности «заморозить» некоторые коллективные степени свободы. Спин, или внутренний магнитный момент электрона — одна из его фундаментальных характеристик вместе с зарядом. По законам квантовой механики спин электрона может иметь только два состояния. Их можно представить как две его «ориентации» — «вверх» или «вниз». В формулах квантовой механики два эти состояния часто обозначают просто соответствующими стрелками — ↑ и ↓. Как и почти вся квантовая механика, это понятие весьма контринтуитивно, и классические аналогии не всегда способствуют пониманию. Подробнее про спин электрона можно прочитать, например, во вставке к этой статье. В обычном магнитном металлическом материале спины коллективных электронов направлены в одну сторону по всему образцу, если температура опускается ниже некоторой критической (точки Кюри) — это эффект ферромагнетика.

Особенность спиновых жидкостей в том, что спины электронов в них не могут сложиться в однородную конфигурацию даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Вместо этого наблюдается коллективное скоординированное движение множества спинов — коллективные возбуждения системы спинов. Такие коллективные моды микрочастиц разной природы обычно представляют как морские волны — тоже «коллективное перемещение» множества капель воды, друг с другом напрямую не связанных. В результате реализуется особенное сильно запутанное состояние вещества. Эти состояния интересны и с точки зрения перспективных материалов для квантовых вычислений.

Математическое описание такого поведения разработал Ф.Андерсон, лауреат Нобелевской премии, который в 1973 году и предсказал существование квантовых спиновых жидкостей. Материалы с этими свойствами начали открывать и исследовать только в последнее десятилетие. Андерсон предположил, что в этом квантовом режиме электрон можно рассматривать как связанное состояние — составную частицу, которая составлена из двух компонентов (квазичастиц). Одна отвечает за «хранение» отрицательного заряда, а вторая — за спин. Для квазичастицы, содержащей спин, был предложен термин спинон. Квазичастица — переносчик заряда называется холон. Полная теория предполагает и третью квазичастицу — орбитон, которая отвечает за орбитальное состояние («положение» электрона на атомной орбите). Идея описания электрона как связанного состояния квазичастиц существовала и раньше — по-видимому, она восходит ещё к 1950-м годам к работам другого Нобелевского лауреата — японского физика Синъитиро Томонага, а теория в сегодняшней форме сложилась совсем недавно. Суть здесь не в том, что предложено очередное описание элементарной частицы как составной из нескольких (квази)-компонентов, а в принципиальной возможности эти квазичастицы наблюдать порознь при некоторых условиях. Эту задачу в приложении к электрону называют проблемой разделения спина и заряда.

У одинокого электрона свойства «спин» и «заряд», естественно, по-отдельности не наблюдаются, но ситуация меняется, если в материале тесно взаимодействует множество электронов соседних атомов. Из-за интенсивного взаимодействия при низких температурах (низкая кинетическая энергия по сравнению с потенциальной энергией взаимного отталкивания) они могут двигаться и менять состояния скоординированно, как обычные атомы в кристаллической решётке: возмущение в одном месте такой решётки передаётся всем её атомам, от ближних до дальних. При определённых условиях описание такого «электронного кристалла» в терминах новых квазичастиц оказывается удобнее — спиноны и холоны отдельно регистрируются во взаимодействиях так же, как регистрируются частицы света — фотоны, или коллективные колебания атомов в кристаллах — фононы. Например, при «переворачивании» одного из спинов по кристаллу пойдёт спиновое возмущение без перемещения заряда (то есть спинон, но без холона). Разделение спина и заряда в некоторых квантовых материалах начали экспериментально фиксировать в разных лабораториях в 2006 — 2009 годах. Кроме низких температур, для наблюдения эффекта требовалась и специальная геометрия системы — так, изначально теория работала только для одномерных цепочек.

В новом исследовании физики искали признаки спинонов в химическом соединении из атомов рутения и хлора. При температурах в доли градуса выше абсолютного нуля (-273 °C) кристаллы слоистого изолятора — хлорида рутения α-RuCl₃ в присутствии сильного магнитного поля переходят в состояние квантовой спиновой жидкости. В эксперименте измерялась теплопроводность кристалла в зависимости от температуры и приложенного магнитного поля. Присутствие спинонов должно проявляться в виде периодического изменения коэффициента теплопроводности с увеличением магнитного поля. Эти квантовые осцилляции возникают из-за дискретности энергетических уровней заряженной частицы в магнитном поле (уровни Ландау) и проявляются для многих свойств веществ при низких температурах в магнитном поле. Эксперименты с квантовыми осцилляциями самых разных характеристик (электропроводности, теплопроводности, магнитной восприимчивости и т.д.) используются как стандартный инструмент для исследования структуры вещества. Квантовые осцилляции проявляются в металлах, но хлорид рутения — типичный изолятор, поэтому такие возмущения в нём как раз могут указывать на фазу спиновой жидкости с искомым «разделением» электрона и движением спинонных квазичастиц.

В серии экспериментов, которые проводились в течение трёх лет, удалось зафиксировать температурные колебания, согласующиеся с поведением спинонов. Статья группы экспериментаторов на базе Принстонского университета по результатам этой работы вышла в мае 2021 года в Nature Physics. Осциллирующий сигнал, который предполагалось поймать, должен быть очень слабым, его амплитуда составляет несколько сотых долей градуса. Поэтому измерения требовали точного контроля температуры образца и прецизионной калибровки термометров в условиях сильного магнитного поля и измерений вблизи абсолютного нуля температур. Квантовые осцилляции теплопроводности кристаллов в соответствии с представлениями о спинонах наблюдались до температур около 0,5 K; с увеличением температуры их амплитуда резко затухает, а при более высоких температурах (около 2 K) в игру вступают уже другие квантовые эффекты. Таким образом, предсказание Андерсона о «дуальной природе электрона» подтверждено на этом квантовом материале.