Ученые МГУ получили материал, потенциально полезный для квантовых технологий

Ученые МГУ методом гидротермального синтеза получили монокристаллы аналога редкого минерала намибита, а также провели его теоретические и экспериментальные исследования при низких температурах и в сильных магнитных полях. Новый синтетический материал может быть полезным для развития квантовых технологий. Результаты работы опубликованы в Журнале экспериментальной и теоретической физики.

Бурное развитие информационных технологий требует создания новых материалов, обладающих квантовыми свойствами, среди которых топологические изоляторы, низкоразмерные магнетики, сверхпроводники и др. Причем, на сегодняшний день сверхпроводящие материалы являются лидером квантовых технологий. Однако их использование требует чрезвычайно низких температур. Низкоразмерные магнетики могут оказаться применимыми уже в комнатных условиях. В их кристаллических структурах атомы переходных металлов образуют цепочечные, или слоистые фрагменты.

«Гидротермальный синтез является имитацией образования природных кристаллов – минералов. Этим методом нами при температуре 230°С и давлении водяного пара до 300 атмосфер были синтезированы монокристаллы аналога редкого минерала намибита, Cu(BiO)2VO4OH, открытого в 1981 году в северо-западной Намибии и названного в честь пустыни Намиб. Особенностью кристаллической структуры намибита является наличие цепочек из связанных ребрами медь-кислородных октаэдров, которые разделяются магнитно инертными катионами висмута. Такой мотив предполагает возможность существования спиновой запутанности между ионами двухвалентной меди», – прокомментировала ведущий научный сотрудник кафедры кристаллографии и кристаллохимии геологического факультета МГУ Лариса Шванская.

Квантовая запутанность – это квантово-механическое явление, при котором квантовое состояние системы многих тел описывается единой волновой функцией, независимо от того, насколько далеко друг от друга в пространстве находится каждое отдельно взятое тело. Материалы, обладающие такими свойствами, являются основой для создания кубитов – «сердца» квантовых компьютеров. 

Ученые провели теоретические и экспериментальные исследования синтетического намибита при низких температурах и в сильных магнитных полях. Изучение магнитной восприимчивости и теплоемкости, резонансных характеристик наряду с теоретическими расчетами параметров обменных взаимодействий между катионами меди в цепочке показало, что аналог минерала намибита демонстрирует свойства, присущие системам со спин-жидкостным поведением. В таком основном квантовом состоянии спины атомов находятся в постоянном движении и не переходят в упорядоченное состояние вплоть до температуры абсолютного нуля градусов вопреки закону термодинамики. 

«Синтетический намибит не показывает перехода в магнитно-упорядоченное состояние вплоть до температуры 2 К, несмотря на наличие сильных антиферромагнитных взаимодействий в системе. Тем самым является уникальным объектом для изучения явления спиновой запутанности при комнатной температуре», – пояснил заведующий кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ Александр Васильев.