Одна из ключевых констант природы сильно возрастает в странном квантовом материале

Частицы с квантовым свойством, называемым спином, показанным синей стрелкой,
не могут согласовать ориентацию в материале, называемом квантовым спиновым льдом
© Ella Maru Studio/ScienceSource

Постоянная тонкой структуры, влияющая на физику и химию, устанавливает силу взаимодействия между электрически заряженными частицами. Значение этой величины в квантовом спиновом льде — около 1/137 — приводит в замешательство физиков, потому что они не могут его объяснить.

Если бы постоянная тонкой структуры во всем космосе была такой же большой, как в квантовом спиновом льде, «периодическая таблица имела бы только 10 элементов, — говорит физик-теоретик Кристофер Лауманн из Бостонского университета. — И, наверное, было бы трудно сотворить людей — химии не хватило бы многообразия».

Квантовые спиновые льды — это класс веществ, в которых частицы не могут прийти к согласию. Материалы состоят из частиц со спином — квантовой версией момента количества движения, что делает их магнитными. В нормальном материале частицы приходили бы к консенсусу ниже определенной температуры, при этом магнитные полюса выстраивались бы либо в одном направлении, либо в чередующихся направлениях. Но в квантовом спиновом льде частицы расположены таким образом, что магнитные полюса или, что то же самое, спины не могут согласовываться даже при температуре абсолютного нуля.

Тупик возникает из-за геометрии материалов: частицы расположены в углах массива пирамид, которые соединяются в углах. Конфликты между несколькими наборами соседей означают, что ближе всего к гармонии эти частицы могут расположиться так, что два вращения обращены наружу из каждой пирамиды, а два — лицом внутрь.

Это непростое перемирие может вызвать возмущения, которые ведут себя как частицы в материале или квазичастицы. Переверните вращение частиц, и вы можете получить так называемые спиноны — квазичастицы, которые могут перемещаться через материал и взаимодействовать с другими спинонами аналогично электронам и другим заряженным частицам, находящимся в мире за пределами материала. Материал воссоздает теорию квантовой электродинамики — стандартную модель физики частиц, которая показывает, как электрически заряженные частицы делают свое дело. Но особенности, включая постоянную тонкой структуры, не обязательно совпадают с таковыми в более широкой вселенной.

Так Лауман и его коллеги впервые решили вычислить постоянную тонкой структуры квантового спинового льда. Команда установила цифру примерно 1/10 вместо 1/137. Более того, исследователи обнаружили, что они могут изменять значение постоянной тонкой структуры, изменяя свойства теоретического материала. Это могло бы помочь ученым изучить эффекты изменения постоянной тонкой структуры — теста, который недостижим в нашей собственной Вселенной, где постоянная тонкой структуры фиксирована.

К сожалению, ученые еще не нашли материал, который окончательно можно квалифицировать как квантовый спиновый лед. Но одна из наиболее изученных перспектив — это группа минералов, называемых пирохлорами, которые имеют магнитные ионы или электрически заряженные атомы, расположенные в соответствующей пирамидальной конфигурации. Ученые также могут изучать материалы с помощью квантового компьютера или другого квантового устройства, предназначенного для моделирования квантового спинового льда.

Если ученым удастся создать квантовый спиновый лед, материалы смогут показать, как квантовая электродинамика и стандартная модель будут работать во Вселенной с гораздо большей постоянной тонкой структуры. «Это была бы надежда», — говорит теоретик конденсированных сред Шиваджи Сонди из Оксфордского университета, который не принимал участия в исследовании.