Ученые из Токийского технологического института (Tokyo Tech) и Йокогамского национального университета (YNU) раскрывают особый механизм, посредством которого спиновые возмущения проходят через, казалось бы, непроходимую область квантовой спиновой жидкой системы. Это новое понимание может представлять собой еще один строительный блок в электронике следующего поколения и даже в квантовых компьютерах.

Электронные устройства в том виде, в котором мы их знаем, близки к достижению своих теоретических пределов, а это означает, что радикально новые технологии потребуются для повышения производительности или повышения миниатюризации. Проблема состоит в том, что современная электроника сосредоточена вокруг манипулирования электрическими токами и следовательно, в основном занимается коллективным зарядом движущихся электронов. Но что, если сигналы и данные можно было бы кодировать и отправлять более эффективным способом?

Вступите в спинтронику, развивающуюся технологическую область, которая должна революционизировать электронику и стать ключевым игроком в развитии квантовых компьютеров. В устройствах спинтроники наиболее важной характеристикой электронов является их вращение, внутреннее свойство, которое можно широко рассматривать как их момент импульса и которое является основной причиной магнитных явлений в твердых телах. Тем не менее, физики во всем мире пытаются найти практические способы генерирования и транспортировки «спин-пакетов» через материалы. В недавнем исследовании ученые из Tokyo Tech и YNU, Япония, провели теоретический анализ специфических характеристик переноса спина в конкретной системе, называемой «моделью Китаева».

Эта двумерная модель содержит сотовую сеть, в которой каждая вершина содержит спин. Что особенного в системе Китаева, так это то, что из-за специфического взаимодействия между спинами она ведет себя как квантовая спиновая жидкость (QSL). В широком смысле это означает, что в этой системе невозможно, чтобы спины были организованы уникальным оптимальным образом, который «держит каждый спин заряженным». Это явление, называемое спин-фрустрацией, заставляет спины вести себя особенно беспорядочно. Профессор Акихиса Кога, который руководил исследованием, говорит: «Модель Китаева — интересная площадка для изучения QSL. Однако о его интригующих свойствах спинового транспорта известно немного».

Важной характеристикой модели Китаева является то, что она имеет локальные симметрии; такие симметрии означают, что спины коррелируют только с ближайшими соседями, а не с дальними спинами, что подразумевает наличие барьера для спинового транспорта. Однако в действительности небольшие магнитные возмущения на одном краю системы Китаева проявляются в виде изменений в спинах на противоположном крае, хотя возмущения, по-видимому, не вызывают каких-либо изменений в намагниченности центральной, более симметричной области материал. Этот интригующий механизм — то, что группа ученых разъяснила в своем исследовании, которое опубликовано в Physical Review Letters.

Они применили импульсное магнитное поле к одному краю QSL Китаева, чтобы инициировать перенос «спинового пакета» и численно смоделировали динамику в реальном времени, которая впоследствии развернулась. Оказывается, магнитное возмущение переносится через центральную область материала путем перемещения «майорановских фермионов». Это квазичастицы; это не реальные частицы, а точные приближения коллективного поведения системы.

Примечательно, что опосредованный Майораной спиновый транспорт не может быть объяснен классической теорией спиновых волн и поэтому требует дальнейших экспериментальных исследований. Но Кога надеется на потенциал применения результатов этого исследования. Он говорит: «Наши теоретические результаты также должны соответствовать реальным материалам, и настройка нашего исследования может быть физически реализована в определенных материалах-кандидатах для систем Китаева».

В своей статье ученые обсуждают возможные материалы, способы создания спиновых возмущений и способы экспериментального поиска доказательств того, что фермионы Майораны проходят через большую часть материала, чтобы достичь другого края. Может даже оказаться возможным контролировать движение статических (неподвижных) майорановских фермионов в системе, что может иметь практическое применение. Только время покажет, сколько еще загадок физики квантового мира решат и как мы от них выиграем.