Магниты известны человечеству с древности — люди находили намагниченный магнетит и быстро приспособили его для дела. В XI веке в Китае появились первые компасы, а сегодня без магнитов не обходятся ни жесткие диски, ни динамики, ни томографы. Но если с практикой все ясно, то теория долго не поддавалась: Нильс Бор и Хендрика ван Лёвен доказали, что классическая физика бессильна объяснить магнетизм. Только квантовая механика раскрыла секрет — все дело в спине электронов, их внутреннем вращении.

В 1931 году Ханс Бете нашел изящное решение для модели Гейзенберга — цепочки связанных спинов. Через 50 лет Людвиг Фаддеев и Леон Тахтаджян сделали неожиданное открытие: оказывается, в такой системе электрон как бы «раскалывается» на две частицы, каждая со спином ½. Их назвали спинонами. Долгое время считалось, что спиноны существуют только парами, но теперь физики из Варшавского университета и Университета Британской Колумбии показали, как получить одиночный спинон.

Спинон — это квазичастица, возникающая в квантовых магнетиках. Представьте, что спин электрона (его «вращение») разделяется на две независимые части, каждая из которых ведет себя как отдельная частица со спином ½. Спиноны не существуют в вакууме — они проявляются только внутри материала, как волны на воде.

Оказалось, достаточно добавить один лишний спин к основному состоянию модели Гейзенберга — и вот он, непарный спинон, блуждающий среди связанных пар. То же самое происходит в упрощенной модели валентно-связного кристалла, где спины строго упорядочены. Недавно этот эффект подтвердили экспериментально: команда Чжао и коллег увидела спиноны в углеродных нанолентах.

Почему это важно? Спиноны — результат квантовой запутанности и сильного взаимодействия электронов. Эти же механизмы работают в высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых вычислениях.

Наше исследование не просто раскрывает новые свойства магнитов — оно может перевернуть другие области физики и технологий, — говорит профессор Кшиштоф Вольфляс.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Спиноны — не просто абстракция. Их изучение может привести к:

• Квантовым компьютерам: запутанные состояния спинонов — готовые кубиты.
• Новым материалам: управляя спинонами, можно проектировать магниты с необычными свойствами, например, для сверхбыстрой памяти.
• Энергетике: если спиноны участвуют в сверхпроводимости, их контроль поможет создать материалы, работающие при комнатной температуре.

Но главное — это шаг к пониманию квантового мира. Как когда-то открытие электрона привело к транзисторам, так и спиноны могут стать основой технологий, которые пока даже не вообразимы.

Исследование опирается на идеализированные одномерные модели. В реальных материалах спины взаимодействуют сложнее — например, в трехмерных структурах или при наличии примесей. Пока неясно, насколько устойчивы одиночные спиноны в таких условиях. Кроме того, эксперименты проводились при сверхнизких температурах, что ограничивает практическое применение.

Ранее ученые подтвердили существование квантовой спиновой жидкости.