В квантовом мире даже то, что казалось неделимым, может вести себя неожиданно. Недавнее теоретическое и экспериментальное открытие, опубликованное в Physical Review Letters, раскрывает удивительную возможность: существование одиночного спинона — элементарного квантового возбуждения, которое до сих пор наблюдали только в виде пар. Это событие стало важной вехой в понимании природы магнетизма и обещает серьёзные последствия для будущих квантовых технологий, включая спинтронику и квантовые вычисления.
Магнетизм как явление известен с древности, но его истинная природа начала раскрываться лишь с развитием квантовой механики в XX веке. Стало ясно, что ключевую роль играют спины электронов — квантовые свойства, не имеющие аналогов в классической физике. Каждый электрон обладает спином ½, и когда миллиарды таких частиц выстраиваются в определённом порядке, возникает макроскопический магнит.
В рамках классической модели Гейзенберга, описывающей взаимодействие спинов в линейной цепочке, возбуждения проявляются в виде перевёрнутого спина, меняющего общее состояние. Считалось, что такие возбуждения возникают только попарно. Однако ещё в 1981 году теория Фаддеева и Тахтаджана показала, что в некоторых случаях возможны и «фракционированные» возбуждения, нарушающие это правило. Такие квазичастицы получили название спиноны. Они стали примером экзотической квантовой материи — не обычных частиц, а проявлений коллективных эффектов в системе.
До сих пор спиноны наблюдали только в виде пар: одно возбуждение сопровождается зеркальным, образуя неразделимую пару. Однако учёные из Варшавского университета и Университета Британской Колумбии смогли доказать, что в рамках одномерной модели Гейзенберга можно получить одиночный спинон. Достаточно всего лишь добавить один дополнительный спин к основному состоянию системы. Это изменение вызывает нарушение симметрии в упорядоченной решётке и появление неспаренного спина, который ведёт себя как свободный спинон.
Эффект оказался воспроизводимым и в другой модели — так называемой модели твёрдого тела с валентными связями, где спины упорядочены в виде «парных» состояний. В этой структуре одиночный спинон визуализируется как одинокий спин, перемещающийся по регулярной решётке, как если бы он путешествовал по кристаллической решётке. Такое поведение напоминает мобильные дефекты в материалах, но на квантовом уровне и с гораздо более глубокими физическими последствиями.
Экспериментальное подтверждение этого теоретического предсказания не заставило себя ждать. Недавно в журнале Nature Materials вышла статья, где при помощи передовых спектроскопических методов были зафиксированы следы одиночных спинонов в реальных материалах. Это открытие делает возможным не только теоретическое моделирование, но и реальное управление подобными квантовыми состояниями в лабораторных условиях.
Почему это так важно? Спиноны являются результатом коллективных квантовых флуктуаций и выражением запутанных состояний, в которых каждый спин связан с соседними. Такие состояния лежат в основе высокотемпературной сверхпроводимости, топологических изоляторов и дробного эффекта Холла. Управление отдельными спинонами может открыть путь к новой логике квантовых вычислений — не на базе зарядов и токов, как в обычных компьютерах, а на основе спиновых состояний, которые менее подвержены потере информации.
Кроме того, открытие одиночного спинона означает, что спиновая информация может передаваться на дальние расстояния без участия зарядов, что важно для развития спинтроники — новой области электроники, в которой информация кодируется в спине, а не в потоке электронов. Это создаёт перспективу более быстрых и энергоэффективных устройств.
Ещё одна потенциальная область применения — квантовая сенсорика. Изолированные спиноны чувствительны к микроскопическим изменениям магнитного поля и структуры вещества. Это делает их идеальными кандидатами для создания датчиков нового поколения, способных улавливать мельчайшие изменения в биологических тканях, материалах или вблизи квантовых точек.
Таким образом, одиночный спинон — не просто теоретическая абстракция. Это реальное квантовое явление, которое может стать ключом к целому ряду технологических достижений. Открытие, сделанное польскими и канадскими учёными, доказывает, что даже в строго определённых моделях можно найти новые степени свободы и управлять ими.
Мир квантовых частиц полон сюрпризов, и одиночный спинон — яркое тому подтверждение. В нём сливаются математическая строгость, экспериментальная точность и потенциал инженерного применения. Это важный шаг на пути к управляемой квантовой материи и будущим квантовым устройствам, способным выйти за пределы классической электроники.
А затем «Добавить на главный экран». 