На этом изображении показана графическая интерпретация состояний «полулед, полуогонь» и «полуогонь, полулед» (слева). График (справа) показывает изменение магнитной энтропии в магнитном поле (h) в зависимости от температуры (T). Черная точка при нулевой температуре указывает, где появляется состояние полуогонь, полулед. Пунктирная линия указывает, где скрывается состояние полулед, полуогонь. (Brookhaven National Laboratory)
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.
