Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) — физики Вэйго Инь и Алексей Цвелик — совершили важное открытие в области квантовых материалов, обнаружив ранее неизвестную фазу вещества, которую они назвали «полулед – полуогонь» («half-ice, half-fire»). Это состояние характеризуется необычным сочетанием упорядоченных и хаотичных электронных спинов, что позволяет материалу резко переключаться между фазами при определённой температуре.
Суть открытия
Электроны обладают спином — квантовой характеристикой, ведущей себя как микроскопический магнит. В большинстве магнитных материалов спины либо упорядочены (как во льду), либо хаотичны (как в горячем газе). Однако в новой фазе одна часть спинов остается «замороженной» в строгом порядке, а другая — «горячей» и неупорядоченной.
Этот гибридный режим был предсказан при моделировании одномерного ферримагнетика — материала, где спины электронов на разных атомах (например, меди и иридия) ведут себя по-разному. Ученые обнаружили, что при определенных условиях система может резко переключаться между состояниями «полуогня – полульда» и «полульда – полуогня», что открывает перспективы для управления магнитными свойствами материалов.
Практическое значение
- Сверхбыстрое переключение состояний
- Фаза «полулед – полуогонь» позволяет материалу резко менять свойства в узком температурном диапазоне, что может быть использовано в:
- Спинтронике (электронике, использующей спин электронов вместо заряда).
- Квантовых вычислениях (как основа для кубитов).
- Магнитном охлаждении (технологии энергоэффективного охлаждения).
- Фаза «полулед – полуогонь» позволяет материалу резко менять свойства в узком температурном диапазоне, что может быть использовано в:
- Новые типы фазовых переходов
- Ранее считалось, что в одномерных системах фазовые переходы при конечной температуре невозможны. Однако это исследование опровергает устоявшуюся теорию, показывая, что в определённых условиях такой переход все же происходит.
- Связь с предыдущими открытиями
- В 2016 году та же группа обнаружила фазу «полуогонь – полулед» в соединении Sr₃CuIrO₆, где спины меди были неупорядоченными («горячими»), а иридия — упорядоченными («холодными»).
- Теперь же выяснилось, что существует «зеркальная» фаза, где роли спинов меняются.
Перспективы исследований
Ученые планируют изучить квантовые аналоги этой фазы (где спины ведут себя не как классические магниты, а подчиняются квантовой механике).
Кроме того, они будут изучать влияние дополнительных степеней свободы (например, заряда и орбитального движения электронов) и применение в реальных материалах, а не только в модельных системах.
Это открытие расширяет понимание фазовых переходов и может привести к новым технологиям в энергетике и квантовых вычислениях.