Ученые открыли новую форму аномальной материи

Американские физики из Йельского университета и Национальной лаборатории в Лос-Аламосе открыли особый металлический сплав, свойства которого напоминают сверхтекучие жидкости. Это вещество является разновидностью спиновых льдов, внутри которого возникают аналоги квантовых вихрей. Статья ученых опубликована в журнале Nature Physics.

Спиновым льдом называют вещество, в котором ориентация магнитных моментов заряженных ионов напоминает расположение атомов водорода (протонов) в водном льде. Когда вода замерзает, атомы внутри тетраэдрической ячейки кристалла размещаются таким образом, что атом кислорода одной молекулы воды оказывается окружен четырьмя протонами. При этом два протона оказываются дальше других, потому что принадлежат двум другим молекулам воды. Аналогично, в спиновом льду магнитные моменты двух ионов направлены внутрь тетраэдра, а два других — наружу. По сути, спиновой лед состоит из крошечных наномагнитов.

Физики изучили разновидность спинового льда, образованной решеткой Шакти. Она допускает множество таких конфигураций магнитных моментов, при которых в ячейках минимизируется энергия взаимодействия. Однако часть конфигураций находится в возбужденном состоянии и их появление в спиновом льде неизбежно. В результате происходит геометрическая фрустрация — явление, при котором вся система не может быть полностью заморожена (даже при абсолютном нуле), поскольку не имеет единственного базового состояния. Такое поведение характерно для всех спиновых льдов.

В ходе исследования ученые провели фотоэмиссионную электронную микроскопию спинового льда (PEEM), изготовленного из пермаллоя — сплава железа и никеля (Ni81Fe19). Облучение образца рентгеновскими лучами позволило зарегистрировать изменения в магнитных моментах, происходящих при понижении температуры. Образец спинового льда сначала охлаждали с 290 кельвинов (K) до 220 К, а затем до 180 К и ниже (1 К равен -272,15 градуса Цельсия).

Хотя другие разновидности спинового льда при понижении температуры перестраивают свои решетки, чтобы достичь минимально возможного энергетического состояния, оказалось, что решетка Шакти «застревает» на определенном уровне. Это происходит даже в том случае, если крупномасштабная перестройка системы могла бы минимизировать энергию. Согласно выводам физиков, это свидетельствует о том, что данный спиновой лед обладает глобальным топологическими порядком, а возбуждения топологически защищены от рассеивания и сохраняются в течение длительного времени.

Топологически упорядоченные фазы ранее были описаны для квантовомеханических систем, которые могут принимать различные состояния с одинаковой энергией (вырожденные состояния). Иными словами, устойчивые возбуждения в решетке Шакти в каком-то смысле напоминают квантовые вихри в сверхтекучих жидкостях, которые также топологически защищены в силу вырожденности основных состояний.