Квантовая спиновая жидкость — это состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов ведут себя как жидкость: они постоянно колеблются и не выстраиваются в жёсткий порядок даже при очень низких температурах. Одна из самых известных теоретических моделей такой жидкости была предложена Алексеем Китаевым. Она описывает частицы на гексагональной решётке, взаимодействующие особым образом — так называемым обменом Китаева.
В новой работе авторы добавили в эту модель свободные заряды (дырки) и посмотрели, может ли при этом возникнуть сверхпроводимость. С помощью мощного вычислительного метода они обнаружили, что это действительно возможно. Причём тип сверхпроводимости зависит от характера магнитного взаимодействия. Если взаимодействие ферромагнитное — когда магнитные моменты склонны выстраиваться в одну сторону, — то при умеренном количестве дырок появляется триплетная сверхпроводимость. В ней электронные пары имеют спин 1. Такая сверхпроводимость упорно сосуществует с ферромагнетизмом, но исчезает, когда материал становится полностью намагниченным.
Если же взаимодействие антиферромагнитное — соседние магнитные моменты стремятся быть противоположными, — картина становится сложнее. При малом количестве дырок всё ещё доминирует триплетная сверхпроводимость, но с увеличением их числа главную роль начинает играть синглетная сверхпроводимость с симметрией d+id. Такой плавный переход между двумя типами спаривания — редкое и интригующее явление.
Авторы также показали, что триплетная сверхпроводимость усиливается вместе с ростом намагниченности и достигает пика незадолго до полного магнитного насыщения. Это даёт чёткий ориентир для экспериментов: искать необычную сверхпроводимость стоит в слегка легированных материалах Китаева, которые находятся на грани магнитного упорядочения.
Квантовые спиновые жидкости могут быть полезны для создания топологических кубитов — устойчивых к помехам элементов квантового компьютера.