Поиск порядка в беспорядке демонстрирует новое состояние материи

Физики определили новое состояние вещества, структурный порядок которого работает по правилам, более согласованным с квантовой механикой, чем стандартная термодинамическая теория. В классическом материале, называемом искусственным спиновым льдом, который в определенных фазах оказывается неупорядоченным, материал фактически упорядочен, но в «топологической» форме.

«Наши исследования впервые показывают, что классические системы, такие как искусственный спиновый лед, могут быть спроектированы для демонстрации топологических упорядоченных фаз, которые ранее были обнаружены только в квантовых условиях», — сказал физик Национальной лаборатории Лос-Аламоса Криштиано Нисоли, лидер теоретической группы ученых, который сотрудничал с экспериментальной группой в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн во главе с Питером Шиффером.

Физики обычно классифицируют фазы вещества как упорядоченные, такие как кристаллы, и неупорядоченные, такие как газы, и они делают это на основе симметрии такого порядка, сказал Нисоли.

«Демонстрация того, что эти топологические эффекты могут быть сконструированы в искусственную систему спинового льда, открывает дверь для широкого спектра возможных новых исследований», — говорит Шиффер.

В новой работе команда исследовала определенную геометрию искусственного спинового льда, называемую спиновым льдом Шакти. В то время как эти материалы теоретически разработаны, на этот раз открытие его экзотических, вне равновесных свойств перешло от экспериментов к теории.

Выполняя характеристику фотоэмиссионной электронной микроскопии в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, команда Шиффера обнаружила что-то загадочное: в отличие от других искусственных спиновых льдов, которые могли достичь своего низкоэнергетического состояния по мере снижения температуры в последовательных гашениях, спиновый лед Шакти упорно оставался примерно на том же энергетическом уровне.

«Система застревает таким образом, что она не может перестроиться, даже если крупномасштабная перестройка позволит ей упасть до более низкого энергетического состояния», — сказал Шиффер.

Ясно, что что-то сохраняло состояние, но ничто не проявилось как очевидный кандидат в материале, искусственно разработанном для обеспечения неупорядоченной спиновой картины.

Отклоняясь от спиновой картины и концентрируясь на появляющемся описании возбуждений системы, Нисоли описал состояние с низкой энергией, которое можно было точно отобразить в знаменитую теоретическую модель, «модель димерного покрытия», чьи топологические свойства были признаны ранее. Затем данные эксперимента подтвердили сохранение топологического заряда и, следовательно, длительный срок службы возбуждений.

«Мне кажется, это наиболее интригует, потому что обычно теоретические рамки переходят от классической физики к квантовой физике, а не к топологическому порядку», — сказал Нисоли.

Резюме:

Системы взаимодействующих наномагнетиков, известных как искусственный спиновый лед, позволили разработать, реализовать и изучить геометрически расстроенные экзотические коллективные состояния,, которые отсутствуют в естественных магнитах. Мы экспериментально измерили термически индуцированные колебания момента в геометрии искусственного спинового льда Шакти . Мы показываем, что его неупорядоченная конфигурация момента представляет собой топологическую фазу, описываемую появляющейся моделью димерного покрытия с возбуждениями, которые можно охарактеризовать как топологически заряженные дефекты. Изучение низкоэнергетической динамики системы подтверждает, что эти эффективные топологические заряды имеют длительное время жизни, связанные с их топологической защитой, т. е. они могут быть созданы и уничтожены только как зарядовые пары с противоположным знаком и кинетически ограничены. Это проявление классического топологического порядка демонстрирует, что геометрический дизайн в наномагнитных системах может привести к появлению топологически защищенной кинетике, которая может ограничивать пути к уравновешиванию и эргодичности.

Больше информации: Yuyang Lao et al, Classical topological order in the kinetics of artificial spin ice, Nature Physics (2018). DOI: 10.1038/s41567-018-0077-0