Пісня льоду та полум’я у реальності: фізики відкрили новий квантовий стан матерії

Дослідники з Брукхейвенської національної лабораторії у США у новому дослідженні відкрили екзотичну квантову фазу стану матерії, яка отримала назву «напівлід, напівогонь».

Зазначається, що відповідна фаза квантового стану була виявлена у феримагнетиках з впорядкованими (холодними) та невпорядкованими (гарячими) електронними спінами

фундаментальна характеристика частинки (наприклад атомного ядра чи елементарної частинки), яка в деякому плані аналогічна «власному моменту імпульсу частинки». Спін є квантовою властивістю частинок і не має аналогів у класичній фізиці. Тоді як класичний момент імпульсу виникає внаслідок обертання масивного тіла зі скінченними розмірами, спін властивий навіть частинкам, які на сьогодні вважаються точковими, і не пов'язаний із жодним обертанням мас всередині такої частки.. Традиційні звичні уявлення допускають існування матерії у твердому, рідкому, газоподібному та у стані плазми. Однак у квантовій фізиці стани магнітних матеріалів можуть бути дуже екзотичними.

Фізики Вейго Інь та Олексій Цвелік відкрили нову квантову фазу одномірного феримагнетика Sr3CuIrO6, який представляє собою сполуку зі стронцію, міді, ірідію та кисню. У стані «напівлід, напівогонь» впорядковані спіни електронів в атомі перебувають у «холодному стані» і не рухаються, а інша частина спінів перебуває у так званому «хаотичному, гарячому» стані.

Дослідження розпочались ще у 2012 році, коли за результатами вивчення властивостей феримагнетика Sr3CuIrO6 науковці випустили дві наукові статті за результатами теоретичних та експериментальних досліджень. У 2016 році Інь та Цвелік досліджували фазові стани феримагнетика Sr3CuIrO6 і відкрили фазу «напіввогонь, напівлід». У цьому стані, який індукується критичним зовнішнім магнітним полем, «гарячі» спіни на вузлах міді абсолютно хаотичні на атомній решітці та мають менші магнітні моменти, тоді як «холодні» спіни на вузлах іридію повністю впорядковані та мають більші магнітні моменти.

Однак дослідникам вдалось відшукати необхідні їм частини головоломки і довести, що фазовий перехід, який з точки зору моделі Ізінга має бути неможливим, все ж такий можливий. Цього вдалось досягнути за рахунок надвузького фазового переходу з фіксованою кінцевою температурою.

У цій фазі «холодні» та «гарячі» спіни міняються місцями. Команда визначила надзвичайно вузький температурний діапазон, у якому відбувається перехід між фазами, що має велике значення для багатьох галузей. Ультрарізке перемикання фаз із гігантською зміною магнітної ентропії може бути використане для вдосконалення кріогенних технологій, а також у якості основи для нового типу кубітів у квантових комп’ютерах.

Результати дослідження опубліковані у журналі  Physical Review Letters

Джерело: SciTechDaily