Ученые Института физики Казанского федерального университета первыми в мире получили при комнатной температуре квантовое состояние магнонов – носителей магнетизма. Оно аналогично сверхтекучести атомов и сверхпроводимости электронов в сверхпроводнике.
Сотрудникам кафедры квантовой электроники и магнитной радиоспектроскопии Института физики КФУ, которой заведует Мурат Тагиров, удалось получить на пленках иттриевого феррит-граната бозе-эйнштейновскую конденсацию магнонов и сопровождающую ее спиновую сверхтекучесть при комнатной температуре. Открытие было сделано группой физиков под руководством Юрия Бунькова в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда. Результаты исследования представлены в статье, отправленной для публикации в журнал Nature Physics. С ее препринтом можно ознакомиться на сайте Корнелльского университета
Сверхтекучестью называют способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости) протекать через узкие щели и капилляры без трения, а сверхпроводимостью – способность некоторых веществ проводить электрический ток без сопротивления. Впервые явление сверхтекучести было обнаружено П.Л.Капицей в изотопе гелия (4He) при температурах порядка 1 Кельвина. За это открытие П.Л.Капица 40 лет спустя получил Нобелевскую премию по физике. Позднее была открыта сверхтекучесть при температуре 0,003 К в другом изотопе гелия – 3He.
В 80-е годы прошлого века, исследуя 3He, группа ученых Института физических проблем им.П.Л.Капицы РАН под руководством А.С.Боровика-Романова и Ю.М.Бунькова при температурах близких к абсолютному нулю обнаружила новый тип сверхтекучего состояния — магнитную (спиновую) сверхпроводимость. Она обеспечивает перенос намагниченности без трения. В 1993 году коллектив авторов «за цикл работ по обнаружению и исследованию магнитной сверхтекучести» удостоили Госпремии России, а в 2008 году Ю.М.Буньков, В.В.Дмитриев и И.А.Фомин получили «за открытие и объяснение фазово-когерентной спиновой прецессии и спиновой сверхтекучести в 3He-В» Премию Фрица Лондона – высшую премию в области физики низких температур.
Позднее явление сверхтекучести было открыто и в других системах, в частности в разреженных атомных бозе-эйнштейновских конденсатах (агрегатное состояние вещества, основу которого составляют охлажденные до сверхнизких температур бозоны).
«Сверхтекучесть и сверхпроводимость при комнатной температуре до сих пор никому обнаружить не удалось. А вот спиновую (или магнонную) сверхтекучесть при комнатной температуре мы обнаружили в пленках иттриевого феррит-граната. Его свойства очень похожи на свойства сверхтекучего 3He, – говорит доктор физико-математических наук, профессор Казанского федерального университета Юрий Буньков. – Для того чтобы создать спиновую сверхтекучесть, нам нужно было поднять плотность магнонов до такого уровня, при котором они образуют когерентное состояние, то есть создать бозе-конденсацию магнонов (магнон – квазичастица, носитель магнетизма, как электрон – носитель электрического заряда). Очень важным моментом в нашем открытии является то, что бозе-конденсацию магнонов удалось получить для стоячих спиновых волн, для бегущих спиновых волн она была получена ранее, но использовать ее крайне тяжело, так как она не взаимодействует с магнитным полем».
Пленки иттриевого феррит-граната сейчас используются для изготовления всевозможных приборов магнитной электроники (магноники). С открытием спиновой (магнонной) сверхтекучести при комнатной температуре магноника превратится в «супермагнонику», считает Юрий Буньков. Приборы на “магнонных” компонентах станут более миниатюрными и чувствительными. К таким приборам, например, относятся сверхчувствительные детекторы магнитного поля СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»). СКВИД-магнитометры применяются не только в научных целях и в промышленности, но и в медицине – для исследования активность мозга путем измерения магнитного поля, возникающего в результате электрической активности нейронов.
Кроме того, открытое казанскими физиками квантовое явление можно будет использовать при создании квантового компьютера. В то же время появится возможность существенно уменьшить энергопотребление обычных компьютеров и суперкомпьютеров.