Квантовые спиновые жидкости (КСЖ) представляют собой особый класс магнитных состояний материи, характеризующихся отсутствием традиционного магнитного упорядочения даже при температурах, значительно ниже энергии взаимодействия спинов. В отличие от ферромагнетиков и антиферромагнетиков, где магнитные моменты атомов или ионов выстраиваются в регулярные решётки, спиновые жидкости демонстрируют высокую степень квантовой флуктуации и энтропийного разнообразия.
Ключевой особенностью КСЖ является фрустрация магнитных взаимодействий, которая препятствует стабилизации классических магнитных состояний. Фрустрация может возникать как вследствие геометрии решетки (например, тригональная или гексагональная решётка), так и вследствие конкурирующих обменных взаимодействий между ближайшими и дальними соседями.
Модель Гамильтона для КСЖ обычно включает обменные взаимодействия типа Гейзенберга:
Ĥ = ∑⟨i, j⟩JijSi ⋅ Sj
где Si — оператор спина на i-м узле, Jij — константа обменного взаимодействия между спинами i и j. Для фрустрированных систем характерны ситуации, когда взаимодействия Jij имеют разные знаки или значительные различия по модулю, что делает невозможным минимизацию энергии для всех спиновых пар одновременно.
Важное расширение модели включает анизотропные взаимодействия, например:
H = −K∑⟨i, j⟩γSiγSjγ
где взаимодействие зависит от проекции спина на направление γ, что приводит к образованию экзотических квантовых состояний с топологическими свойствами.
Ключевым свойством КСЖ является отсутствие длинного диапазона магнитного порядка при T → 0, что объясняется квантовыми флуктуациями. В системах с малым спином (S = 1/2) флуктуации особенно сильны, что делает классические предсказания ненадежными.
Энтропия в таких системах остаётся значительной даже при низких температурах, что отличает КСЖ от традиционных магнитных фаз, где энтропия стремится к нулю при приближении к абсолютному нулю (согласно третьему закону термодинамики для упорядоченных систем).
Резонансирующие валентные пары (RVB) В этой модели спины образуют короткоживущие валентные пары (синглеты), которые постоянно перестраиваются между различными конфигурациями, создавая динамическое квантовое суперпозиционное состояние.
Спиновая жидкость с фракционированными возбуждениями (спиноны) В таких системах единичный спин может разделяться на квазичастицы — спиноны, которые несут спиновую, но не магнитную нагрузку. Эти возбуждения проявляются в спектрах нейтронного рассеяния и тепловых свойствах.
Топологические спиновые жидкости Обладают нетривиальной топологической структурой, где состояние системы характеризуется глобальными квантовыми числами, а не локальными ориентациями спинов. Примеры — фазы Китаева с изолированными анизотропными взаимодействиями на гексагональной решётке.
Нейтронное рассеяние — ключевой метод выявления КСЖ. Для таких систем характерны широкие непрерывные спектры рассеяния, в отличие от дискретных магнонных линий в упорядоченных магнитах.
Магнитная восприимчивость и теплоёмкость — измерение этих величин позволяет выявить отсутствие фазового перехода и характерное низкотемпературное поведение, например линейное или логарифмическое в зависимости от типа спиновой жидкости.
Магнитный резонанс (NMR, ESR) — изучение спиновой динамики и времени релаксации, которое отражает высокую степень флуктуации и отсутствие статического магнитного поля.