Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории в США в новом исследовании открыли экзотическую квантовую фазу состояния материи, которая получила название «полулед, полуогонь».
Отмечается, что соответствующая фаза квантового состояния была обнаружена в ферримагнетиках с упорядоченными (холодными) и неупорядоченными (горячими) электронными спинами
фундаментальная характеристика частицы (например атомного ядра или элементарной частицы), которая в некотором плане аналогична «собственному моменту импульса частицы». Спин является квантовым свойством частиц и не имеет аналогов в классической физике. Тогда как классический момент импульса возникает в результате вращения массивного тела с конечными размерами, спин присущ даже частицам, которые сегодня считаются точечными, и не связан ни с каким вращением масс внутри такой частицы.. Традиционные привычные представления допускают существование материи в твердом, жидком, газообразном и в состоянии плазмы. Однако в квантовой физике состояния магнитных материалов могут быть очень экзотическими.
Физики Вейго Инь и Алексей Цвелик открыли новую квантовую фазу одномерного ферримагнетика Sr3CuIrO6, который представляет собой соединение из стронция, меди, иридия и кислорода. В состоянии «полулед, полуогонь» упорядоченные спины электронов в атоме находятся в «холодном состоянии» и не движутся, а другая часть спинов находится в так называемом «хаотическом, горячем» состоянии.
Исследования начались еще в 2012 году, когда по результатам изучения свойств ферримагнетика Sr3CuIrO6 ученые выпустили две научные статьи по результатам теоретических и экспериментальных исследований. В 2016 году Инь и Цвелик исследовали фазовые состояния ферримагнетика Sr3CuIrO6 и открыли фазу «полугонь, полулед». В этом состоянии, которое индуцируется критическим внешним магнитным полем, «горячие» спины на узлах меди абсолютно хаотичны на атомной решетке и имеют меньшие магнитные моменты, тогда как «холодные» спины на узлах иридия полностью упорядочены и имеют большие магнитные моменты.
«Но несмотря на наши обширные исследования, мы все еще не знали, как можно использовать это состояние, особенно потому, что уже около века хорошо известно, что одномерная модель Изинга, устоявшаяся математическая модель ферромагнетизма, которая создает состояние полуогня, полульда, не содержит фазового перехода при конечной температуре. Нам не хватало части головоломки», — отмечает Вейго Инь.
Однако исследователям удалось отыскать необходимые им части головоломки и доказать, что фазовый переход, который с точки зрения модели Изинга должен быть невозможным, все же возможен. Этого удалось достичь за счет сверхузкого фазового перехода с фиксированной конечной температурой.
В этой фазе «холодные» и «горячие» спины меняются местами. Команда определила чрезвычайно узкий температурный диапазон, в котором происходит переход между фазами, что имеет большое значение для многих отраслей. Ультрарезкое переключение фаз с гигантским изменением магнитной энтропии может быть использовано для совершенствования криогенных технологий, а также в качестве основы для нового типа кубитов в квантовых компьютерах.
«В дальнейшем мы собираемся исследовать это явление в системах с квантовыми спинами и дополнительными степенями свободы в решетках и орбитальных зарядах. Дверь к новым возможностям сейчас широко открыта. Возможно, даже удастся использовать сами фазы как биты в новом подходе к хранению информации в квантовых компьютерах», — предполагает Вейго Инь.
Результаты исследования опубликованы в журналеPhysical Review Letters
Источник: SciTechDaily