Песня льда и пламени в реальности: физики открыли новое квантовое состояние материи

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.

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.

Результаты исследования опубликованы в журналеPhysical Review Letters

Источник: SciTechDaily