Магнитные качели: почему порядок не наступает экспресс
Магнитные атомы в твёрдом теле похожи на стрелки компасов: обычно при охлаждении они выстраиваются в одном направлении — так возникает магнетизм. Но в веществе TbInO3 стрелки тербия сидят на треугольной решётке, где невозможно угодить всем соседям сразу. Одна стрелка хочет смотреть на север, другая — на юг, и в итоге ни одна не может занять устойчивое положение.
Учёные вырастили тончайшую плёнку этого вещества и охладили её до 20 милликельвинов — это в сто раз холоднее, чем температура, при которой стрелки должны были бы выстроиться по простым оценкам. Даже при таком холоде порядок не наступил: стрелки продолжали колебаться, словно жидкость, не застывающая в лёд. Чтобы увидеть это, физики применили сверхпроводящие резонаторы — устройства, которые улавливают слабые магнитные сигналы от крошечных образцов, как чуткое ухо слышит шёпот в тихой комнате.
Такой результат — важный шаг к обнаружению квантовой спиновой жидкости. В этом состоянии магнитные стрелки не замирают даже при абсолютном нуле, а непрерывно флуктуируют, образуя запутанное коллективное состояние. Понимание таких материалов может помочь в создании новых квантовых технологий, где информация хранится в неуловимых коллективных движениях, а не в отдельных частицах.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.14545
Minimizing the energy of a many body system tends to favor order, but classical frustration and quantum fluctuations destabilize that order. The tension between these effects can produce exotic quantum states of matter. Quantum spin liquid (QSL) states emerge in models of localized magnetic moments where the crystal lattice connectivity frustrates ordering, and the exchange interaction of neighboring spins strengthens quantum fluctuations. Experimentally identifying a QSL in a real material is challenging from the lack of an order parameter. Piecing together evidence from varied techniques is necessary for diagnosing the nature of the ground state -- QSL or otherwise -- of a frustrated spin system. In this work, we use coplanar superconducting resonators to probe magnetic excitations in epitaxially grown thin films of a spin liquid candidate TbInO3. Adapting microwave techniques from the field of circuit quantum electrodynamics, we measure responses of these thin films whose volume is too low for applying conventional bulk techniques. In-plane susceptibility extracted from the spin resonance signal indicates extreme frustration of magnetic order down to 20 mK, over two orders of magnitude lower than the Curie-Weiss energy scale. Through a crystal field analysis, we identify the doublet eigenstates comprising the ground state. As a consequence of improper ferroelectricity, Tb moments split into two flavors with distinct g-factors reflecting the local crystal field environment of each site. Spin-orbit coupling, crystal fields, magnetic frustration and improper ferroelectricity distinctively combine to shape the magnetic ground state of TbInO3. This work establishes a measurement technique using superconducting resonators to probe thin films of frustrated magnets, and applies this technique towards building a coherent understanding of the magnetic properties of TbInO3.
Температура 20 милликельвинов — это 0,02 градуса выше абсолютного нуля. Это холоднее, чем в межзвёздном пространстве, где температура около 2,7 кельвина.