Время научило нас, что состояния материи, которые мы знаем со школы (твердое тело, жидкость, газ и плазма) — это лишь вершина айсберга. В глубинах квантовой физики и магнитных материалов лежат экзотические фазы, которые могут произвести революцию в технологиях будущего. Это случай недавнего открытия физиков. Вэйго Инь e Алексей Цвелик из Брукхейвенская национальная лаборатория, который открыл новую фазу в одномерном ферримагнетике: состояние, называемое «наполовину лед, наполовину огонь».
Эта необычная конфигурация состоит из узора электронных спинов, в котором высокоупорядоченные состояния сосуществуют (холодный как лед) и крайне неупорядоченный (горячий как огонь). История этого открытия, опубликовано в престижном журнале Physical Review Letters,, является результатом более чем десятилетних исследований и представляет собой фундаментальную часть понимания магнитных материалов.
Небольшое отступление: что такое ферримагнетик в нескольких (и, надеюсь, простых) словах.
Представьте себе команду по перетягиванию каната, в которой 5 человек тянут канат с одной стороны, а 3 — с другой. Веревка будет двигаться в сторону, где больше людей, но натяжение по-прежнему будет с обеих сторон. Ферримагнетик подобен этой струне, он обладает «чистым» магнетизмом, даже если внутренние магнитные силы немного «противодействуют» друг другу.
Короче говоря: ферримагнетик это материал, который на микроскопическом уровне имеет атомы с магнитными моментами, выровненными в противоположных направлениях, ma моменты в одном направлении сильнее, чем в другом.
Путешествие, которое началось десять лет назад
Открытие этой новой фазы материи не произошло на пустом месте. Путешествие началось в 2012 году, когда Инь и Цвелик стали частью многоинституционального сотрудничества под руководством физика Джон Хилл из Брукхейвенской лаборатории. Группа изучала магнитное соединение под названием Sr3CuIrO6 (материал на основе стронция, меди, иридия и кислорода). Эта работа также привела к двум публикациям в Physical Review Letters: одна из них была экспериментально обоснована в 2012 году, а другая — теоретически обоснована в 2013 году.
Однако, несмотря на обширные исследования, чего-то все еще не хватало. Как отмечает Цвелик,
«Даже после наших обширных исследований мы все еще не знали, как можно использовать это состояние».
На протяжении столетия было известно, что математическая модель Изинга, описывающая состояние «полуогня-полульд», не учитывает фазовые переходы при конечных температурах. Не хватало ключевых частей головоломки.
Недавно Инь нашел ключ к разгадке недостающих частей. В двух публикациях он продемонстрировал, что к «запрещенному» фазовому переходу можно приблизиться с помощью сверхузкого кроссовера при фиксированной конечной температуре.
А если говорить еще проще? Инь обнаружил, что даже если преобразование кажется невозможным, можно «обмануть» систему и заставить ее происходить определенным, контролируемым образом при определенной температуре. Это как найти секретный проход из пункта А в пункт Б, даже если прямой путь заблокирован.
Когда лед и пламень меняются местами
В своем текущем исследовании Инь и Цвелик обнаружили, что «наполовину огонь, наполовину лед» имеет скрытое, противоположное состояние, в котором горячие и холодные спины меняются местами. Другими словами, горячие спины становятся холодными, а холодные спины становятся горячими.
Модель показывает, что переход между фазами происходит в чрезвычайно узком диапазоне температур, и исследователи уже предложили возможные будущие применения. Например, это явление сверхточного переключения с гигантским изменением магнитной энтропии может быть полезно для холодильных технологий. Более того, это может стать основой для нового типа технологии хранения квантовой информации, в которой фазы действуют как биты.
Ферримагнетик и фаза «наполовину лед, наполовину огонь»: последствия и перспективы на будущее
Открытие этой новой фазы материи имеет большое значение. Не только потому, что это явление никогда ранее не наблюдалось, но и потому, что оно способно вызывать чрезвычайно быстрое переключение фаз в материале при разумной конечной температуре.
«Поиск новых состояний с экзотическими физическими свойствами, а также понимание и управление переходами между этими состояниями являются центральными проблемами в области физики конденсированного состояния и материаловедения», — сказал Инь.
«Решение этих проблем может привести к значительному прогрессу в таких технологиях, как квантовые вычисления и спинтроника».
Цвелик добавил:
«Мы предполагаем, что наши результаты могут открыть новые возможности для понимания и управления фазами и фазовыми переходами в определенных материалах».
Следующим шагом исследователей станет изучение феномена «огненного льда» в системах с квантовыми спинами и дополнительными решеточными, зарядовыми и орбитальными степенями свободы. Как он заявил Инь«Дверь к новым возможностям теперь широко открыта».
Меня поражает то, что это открытие представляет собой прекрасный пример того, насколько удивительными и непредсказуемыми могут быть фундаментальные исследования. То, что началось как изучение простой одномерной модели, выявило физическое явление совершенно новые, с потенциальными сферами применения от энергетических технологий до квантовых вычислений.
Иногда именно в самых простых системах скрываются самые захватывающие сложности природы.
