Спиновые жидкости и фракционализация

Спиновая жидкость — это квантовое состояние сильно коррелированных электронов, в котором спины не формируют упорядоченной структуры даже при низких температурах. В отличие от обычных магнитов, где возможны антиферромагнитные или ферромагнитные порядки, в спиновой жидкости отсутствует длиннодействующий порядок, и система остаётся квантово флуктуирующей.

Главный принцип, определяющий спиновые жидкости, заключается в фрустрации взаимодействий и сильной квантовой запутанности. Классическим примером является антиферромагнетик на треугольной или кагоме-решётке, где невозможно одновременно удовлетворить все спин-спиновые взаимодействия. В результате система избегает статического упорядочения, сохраняя квантовую подвижность спинов.

Фракционализация степеней свободы

Ключевая особенность спиновых жидкостей — явление фракционализации. В такой среде элементарные возбуждения не соответствуют обычным магнонам или фермионам, а распадаются на квазичастицы с необычными свойствами:

  • Спиноны — квазичастицы, несущие спин, но не заряд. Они могут вести себя как фермионы или бозоны в зависимости от модели.
  • Висоны — топологические возбуждения, связанные с вихревыми конфигурациями спиновых корреляций.
  • Мажорановские фермионы — проявляются в некоторых решётках с изинговыми взаимодействиями (модель Китаева), являясь реальными фермионными модами, разделёнными на половинки от обычных фермионов.

Таким образом, спиновая жидкость демонстрирует разделение электрона на независимые носители спина и заряда, что невозможно в обычных состояниях вещества.

Теоретические модели

  1. Модель Андерсона (резонансные валентные связи, RVB-состояние) Андерсон предложил рассматривать спиновую жидкость как суперпозицию всех возможных покрытий решётки парами сингулярных связей. Такое RVB-состояние обеспечивает сильную запутанность и отсутствие долгопробегающего порядка.

  2. Модель Китаева на медовой решётке Эта модель является точным решением, демонстрирующим спиновую жидкость с мажорановскими возбуждениями. В ней спиновые взаимодействия анизотропны и направлены по связям решётки, что приводит к появлению неабелевых анионов при нарушении симметрий.

  3. Кагоме-антиферромагнетики В геометрически фрустрированных решётках типа кагоме квантовые флуктуации подавляют магнитный порядок, способствуя формированию спиновой жидкости с фракционализованными возбуждениями.

Топологические свойства

Многие спиновые жидкости относятся к системам с топологическим порядком, для которых характерны:

  • наличие вырожденности основного состояния, зависящей от топологии поверхности (например, тор или сфера);
  • защита от локальных возмущений и стабильность фракционализованных возбуждений;
  • возможность неабелевой статистики возбуждений, что открывает путь к топологическим квантовым вычислениям.

Фракционализованные квазичастицы в таких системах ведут себя как анионы, демонстрируя промежуточную статистику между бозонами и фермионами. В неабелевых фазах порядок перестановки квазичастиц имеет фундаментальное значение, что связано с некоммутативностью операций обмена.

Экспериментальные сигнатуры

Прямое наблюдение спиновой жидкости остаётся сложной задачей, но существует ряд характеристик, позволяющих косвенно подтвердить её наличие:

  • Отсутствие магнитного порядка даже при температурах, где он ожидается.
  • Фракционализованные возбуждения — проявляются в виде континуума спектра в нейтронных рассеяниях вместо дискретных мод магнонов.
  • Теплопроводность и теплоёмкость — указывает на наличие беззарядных фермионоподобных квазичастиц.
  • Топологическая вырожденность и квантовый эффект Холла без магнитного поля (в некоторых случаях).

Значение для физики и технологий

Изучение спиновых жидкостей и фракционализации открывает новые перспективы в физике конденсированных сред:

  • понимание сильнокоррелированных электронных систем и высокотемпературной сверхпроводимости (гипотеза о RVB-состоянии как предвестнике купратной сверхпроводимости);
  • разработка платформ для топологической квантовой информации благодаря неабелевым анионам;
  • расширение представлений о фазах вещества, выходящее за пределы парадигмы симметрии Ландау.
Оглавление