В газообразном или жидком кислороде два непарных электрона в каждой молекуле $O_2$ выстраивают свои спины параллельно друг другу, превращая молекулу в миниатюрный магнит. Когда кислород затвердевает, кристаллы могут принимать различные магнитные конфигурации в зависимости от температуры и давления.
Федерико Горелли из Национального института оптики Италии и его коллеги обнаружили доказательства того, что при комнатной температуре и давлении 12–18 гигапаскалей (ГПа) твёрдый кислород содержит флуктуирующее состояние, в котором спины электронов запутаны — состояние, известное в других контекстах как квантовая спиновая жидкость [1].
Исследование фазы ε-кислорода
Горелли и его коллеги исследовали фазу, известную как ε-кислород, которая состоит из вертикально ориентированных молекул, расположенных горизонтально в виде ромбовидных «квартетов». В 2014 году теоретики предсказали, что ε-кислород разделён на две фазы [2].
Фаза с более высоким давлением — это обычный диамагнетик, немагнитная фаза, в которой квартеты ближе к квадратам. В фазе с более низким давлением длины сторон квартетов неравны. Важно отметить, что в этом состоянии спины не могут найти единую статическую конфигурацию. В результате каждый квартет содержит динамическое, неупорядоченное расположение, связанное с квантовыми спиновыми жидкостями [3].
Эксперименты с использованием синхротронного излучения
Вдохновлённые этим предсказанием, Горелли и его коллеги использовали рентгеновские лучи Европейского центра синхротронного излучения для определения параметров решётки ε-кислорода при различных давлениях. При 18,1 ГПа — близко к предсказанному значению в 20 ГПа — все параметры показали небольшое, но конечное изменение, соответствующее предсказанному переходу между фазами ε1 и ε0.
Аналогичные косвенные признаки квантовых спиновых жидкостей были обнаружены в оксиде церия-циркония, трихлориде рутения и других материалах. Но из всех этих предполагаемых носителей ε-кислород является самым простым, что упрощает изучение этого состояния.
Источник
— Чарльз Дэй, старший редактор журнала Physics Magazine.