Квантовая спиновая жидкость — экзотическое состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов (спины) ведут себя подобно жидкости: они непрерывно флуктуируют и не застывают в упорядоченную структуру даже при экстремально низких температурах. Одна из наиболее известных теоретических моделей такого состояния была предложена физиком Алексеем Китаевым. Она описывает спины, расположенные на гексагональной (шестиугольной) решётке, которые взаимодействуют особым образом — через так называемый обмен Китаева, специфический тип магнитной связи, зависящий от направления.

В новом исследовании учёные расширили эту модель, введя в неё свободные заряды — дырки (вакансии электронов, которые могут перемещаться по решётке), и проверили, может ли при этом возникнуть сверхпроводимость — состояние с нулевым электрическим сопротивлением. Применив мощный вычислительный метод (точную диагонализацию или аналогичную технику для квантовых систем), они обнаружили, что это действительно возможно. Более того, тип сверхпроводимости определяется характером магнитного взаимодействия в материале.

Если взаимодействие ферромагнитное — то есть спины стремятся выстроиться параллельно друг другу, — то при умеренной концентрации дырок возникает триплетная сверхпроводимость. В этом состоянии электронные пары (куперовские пары) обладают суммарным спином 1, в отличие от обычных синглетных пар со спином 0. Такая триплетная сверхпроводимость упорно сосуществует с ферромагнетизмом, но исчезает, когда материал становится полностью намагниченным (достигает магнитного насыщения).

Если же взаимодействие антиферромагнитное — соседние спины стремятся быть противоположно направленными, — картина усложняется. При малом количестве дырок всё ещё доминирует триплетная сверхпроводимость, но по мере увеличения их числа главную роль начинает играть синглетная сверхпроводимость с симметрией d+id (особая волновая функция пары, меняющая знак при поворотах). Такой плавный переход между двумя типами спаривания — редкое и интригующее явление, указывающее на конкуренцию разных квантовых механизмов.

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 (с небольшим добавлением дырок) материалах Китаева, которые находятся на грани магнитного упорядочения.