Квантовые спиновые жидкости (КСЖ) представляют собой особое состояние магнитно-упорядоченных систем, в которых отсутствует традиционный дальний порядок спинов при нулевой температуре. В отличие от ферромагнетиков и антиферромагнетиков, где спины упорядочиваются в определённой конфигурации, КСЖ характеризуются сильными квантовыми флуктуациями, предотвращающими образование классического магнитного порядка даже в основном состоянии. Такое поведение делает их одним из центральных объектов исследований в физике конденсированного состояния.
Основной физический интерес к КСЖ связан с тем, что они реализуют новые типы квантовой материи, в которых возбуждения обладают фракционированными квантовыми числами и топологической природой. Эти состояния рассматриваются как перспективные платформы для топологической квантовой обработки информации.
Впервые идея квантовой спиновой жидкости была предложена Ф. Андерсоном в 1973 году в рамках модели резонансных валентных связей (RVB — resonating valence bond). Согласно этой концепции, в системе с сильной геометрической фрустрацией и значительными квантовыми флуктуациями спины образуют динамически меняющуюся сеть парных связей (синглетов), которые постоянно резонируют между различными конфигурациями.
В отличие от классического антиферромагнетика, где каждый спин направлен противоположно соседнему, в RVB-состоянии отсутствует фиксированная конфигурация. Это приводит к отсутствию статического магнитного порядка и формированию особого когерентного квантового состояния с нетривиальными корреляциями.
Одним из ключевых факторов, способствующих образованию квантовой спиновой жидкости, является геометрическая фрустрация. Она возникает, когда невозможна одновременная минимизация энергии взаимодействия для всех спинов из-за геометрии решётки или характера взаимодействий.
Примеры решёток, где фрустрация играет важнейшую роль:
Фрустрация усиливает квантовые флуктуации и препятствует образованию дальнего порядка, открывая путь к квантовой спиновой жидкости.
Отсутствие магнитного порядка при T → 0 Эксперименты показывают, что такие материалы не демонстрируют ни ферромагнитного, ни антиферромагнитного упорядочения даже при температурах, близких к абсолютному нулю.
Длиннодействующие квантовые запутанные состояния В основе КСЖ лежат состояния с высокой степенью квантовой запутанности, что делает их фундаментально отличными от классических магнитных фаз.
Фракционированные возбуждения Возникают квазичастицы с дробными квантовыми числами. Например, спиновые возбуждения могут существовать в виде спинонов — частиц, несущих спин-½, но не обладающих зарядом.
Топологическая природа Некоторые типы КСЖ имеют топологический порядок, проявляющийся в наличии вырожденных состояний, не различимых локальными операторами. Это делает такие фазы устойчивыми к локальным возмущениям.
Аномальная динамика спиновых корреляций В отличие от стандартных магнитных систем, корреляционные функции спинов в КСЖ не затухают экспоненциально, а могут демонстрировать степенной характер.
Существует ряд модельных систем, позволяющих описать КСЖ:
Особый интерес вызывает модель Киттаева, поскольку она позволяет точно описывать динамику спиновых жидкостей и предсказывает появление майорановских фермионов в качестве возбуждений.
На сегодняшний день обнаружено несколько классов материалов, в которых предполагается существование квантовых спиновых жидкостей:
Экспериментальные методы, используемые для изучения КСЖ:
Интерес к КСЖ связан не только с фундаментальными аспектами, но и с потенциальными прикладными возможностями. В частности, топологические квантовые спиновые жидкости могут служить основой для устойчивых к декогеренции квантовых вычислительных систем.
Кроме того, понимание природы КСЖ важно для изучения высокотемпературной сверхпроводимости. Концепция RVB рассматривалась как возможное объяснение купратных сверхпроводников, где спиновые жидкости могут выступать в качестве предвестника сверхпроводящего состояния.