Физики обнаружили специфическое поглощение диэлектриком электромагнитного излучения, соответствующее возбуждению в нем спинонов.

Международная группа исследователей, в которую входят специалисты Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, экспериментально обнаружила специфическое поглощение диэлектриком электромагнитного излучения.

Иллюстрация возможного спинона. Стрелками обозначены направления спинов.

Иллюстрация распространения спинона в спин-жидкостном состоянии вещества.

Характеристики этого поглощения совпадают с теоретическим предсказанием фундаментального вида возбуждения материала, сделанным 45 лет назад в 1973 году. Этот квантовый эффект может быть описан как возбуждение спинонов в спиновой жидкости. О своем открытии авторы рассказали в журнале Physical Review Letters.

В системах из большого числа взаимодействующих частиц возникают так называемые возмущения. Если, например, в кристалле заставить двигаться один из атомов в узле кристаллической решетки, то он благодаря взаимодействию заставит двигаться соседей, те в свою очередь своих соседей и т.д. Вот и покатилось по кристаллу возмущение. Физикам надо уметь описывать поведение таких возмущений, их распространение по кристаллу, взаимодействие с ним, с другими возмущениями и частицами.

В общем виде это сделать практически невозможно из-за большого числа частиц и их сложного взаимодействия. Но оказалось, что поведение возмущения можно описать, аналогично поведению частиц. Такие придуманные для описания возмущений частицы получили общее название квазичастицы (от латинского quas – «наподобие», «нечто вроде»), а также личные имена соответствующие различным видам возмущений. Квазичастица, соответствующая описанному выше возмущению, получила название фонон. Следует учитывать, что квазичастица может соответствовать нескольким реальным частицам.Электроны, как и многие другие элементарные частицы, обладают собственным магнитным моментом — спином, который может быть направлен в двух направлениях: условно, вверх или вниз. Его значение, в зависимости от направления, считают равным +½ или -½. В системах электронов с сильным взаимодействием спинов возникают спиновые возмущения. Проще говоря, если перевернуть спин одного электрона, то соседние электроны тоже начинают переворачиваться. И этот переворот спина распространяется по всем электронам. Такие возбуждения описывается с помощью квазичастиц магнонов. Их также называют спиновыми волнами.

Спиновое состояние магнона равно 1. То есть каждый магнон изменяет суммарный спин на 1. Подобная квазичастица спинон – это возбуждение со спином ½, как и у самого электрона. Долгое время спиноны не могли обнаружить, хотя они были теоретически предсказаны еще в 1973 году. Кстати, в 1980-х годах физики, в том числе и наш соотечественник Д.И. Хомский, предсказали существование сразу трёх электронных квазичастиц — спинона, холона и орбитона. Спинон определяет поведение спина электрона, холон – заряда, а орбитон – орбитального положения. Любопытно, что они могут перемещаться в веществе с разной скоростью и даже в разных направлениях. В последние десятилетия их существование было подтверждено экспериментально.

В данной работе речь идёт об обнаружении спинонов в так называемой спиновой жидкости или в спин-жидкостном квантовом состоянии вещества. Если у пары электронов направление спина одного электрона сильно зависит от положения спина другого, при этом спины параллельны и противоположно направлены, то говорят о наличии сильного антиферромагнитного взаимодействия. В таком случае суммарный спин будет равен нулю. Обычно при наличии сильного антиферромагнитного взаимодействия материалы имеют при низких температурах определенный магнитный порядок. Его примером может служить расположение электронов с противоположными спинами в шахматном порядке. Если же очень сильное антиферромагнитное взаимодействие между свободными электронами есть, но ни при каких температурах нет магнитного порядка, то это квантовое состояние называют спиновой жидкостью. Недавно такие материалы были экспериментально обнаружены.

Возбуждение спинонов требует затрат энергии. Поэтому их можно обнаружить по специфическому поглощению электромагнитных волн, которыми облучают материал. Исследователи обнаружили, что изучаемые материалы в состоянии диэлектрика, представляющие собой органические спиновые жидкости, поглощали электромагнитные волны в диапазоне частот от 30 ГГц до 5-6 ТГц сильнее, чем должны были. Сравнивая характеристики поглощенного излучения с теоретическими предсказаниями, авторы работы пришли к выводу, что причиной поглощения было именно возбуждение спинонов. Одновременно полученные результаты подтверждают фундаментальную теорию квантовой спиновой жидкости.

Для исследований оказались удобными материалы, называемые моттовскими изоляторами, в которых при высоких температурах много электронов проводимости, а при низких температурах, когда кинетическая энергия электронов уменьшается, сильное кулоновское отталкивание приводит к тому, что эти электроны теряют возможность двигаться. Они становятся как бы замороженными.

Исследования спиновых явлений представляют большой интерес в связи с интенсивным развитием нового раздела электроники – спинтроники, основанной на использовании не заряда, а спина электрона.

По материалам МФТИ