Ученые совершили прорывное открытие, обнаружив новое состояние материи, которое получило название «полулед, полупламя». Это удивительное состояние представляет собой смесь холодных, упорядоченных электронных спинов («лед») и горячих, хаотичных («пламя»). Данное открытие бросает вызов устоявшимся представлениям физики и может стимулировать прогресс в таких областях, как квантовые вычисления и магнитное охлаждение.
Чтобы понять суть открытия, необходимо разобраться в концепции спинового льда. Некоторые материалы, известные как спиновые льды, обладают уникальными магнитными свойствами. Электроны в них ведут себя как крошечные магниты, называемые спинами. В спиновых льдах эти спины не могут легко выстроиться в едином направлении из-за своей геометрии, подобно тому, как протоны в водяном льду не могут идеально упорядочиться. Это состояние называется магнитной фрустрацией.
Особый интерес представляют возбуждения в спиновых льдах, которые ведут себя как магнитные монополи — изолированные северные или южные магнитные полюса. Хотя фундаментальные монополи пока не обнаружены, их аналоги (квазичастицы) в спиновых льдах уже наблюдались. Исследователи задались вопросом: что произойдет, если возбудить спиновый лед светом?
Обнаружение “Полульда, Полупламени”: Новое состояние материи
Команда ученых использовала мощный лазер для возбуждения материала под названием титанат диспрозия (Dy2Ti2O7), известного спинового льда. Эксперимент проводился на установке Linac Coherent Light Source (LCLS) — рентгеновском лазере на свободных электронах. С помощью сверхкоротких рентгеновских импульсов ученые смогли зафиксировать изменения в магнитной структуре материала сразу после лазерного воздействия.
Результаты оказались неожиданными. Вместо того чтобы просто перейти в однородное горячее, неупорядоченное состояние, материал сформировал нечто иное. После лазерного импульса он частично вернулся к упорядоченному состоянию спинового льда, но только в некоторых областях. Другие области остались в высокоэнергетическом, хаотичном состоянии.
Сяньян Ван, ведущий исследователь и физик из Брукхевенской национальной лаборатории, пояснил: «Мы обнаружили, что материал разделяется на два взаимопроникающих региона. Один — это “лед”, сохранивший упорядоченную структуру спинового льда. Другой — “пламя”, где спины быстро флуктуируют, как в горячей системе».
Механизм формирования
Как такое возможно? Ученые полагают, что лазерное возбуждение переводит материал в высокоэнергетическое состояние. Однако система не может полностью рассеять эту энергию и вернуться к исходному равновесию за короткое время наблюдения (наносекунды). Вместо этого она находит промежуточное, метастабильное состояние, где упорядоченные и неупорядоченные области сосуществуют. Это похоже на попытку быстро охладить кипящую воду — пар и жидкость могут временно существовать вместе.
Клаудио Кастельново из Кембриджского университета, соавтор исследования, добавил: «Это первый случай наблюдения такого динамического смешения двух различных магнитных порядков в одном материале». Техника, использованная в эксперименте, — временно-разрешенное резонансное рентгеновское рассеяние — позволила не только увидеть это состояние, но и измерить магнитные корреляции в наномасштабе.
Уникальные свойства нового состояния материи
Ключевой особенностью этого состояния является локальное сосуществование разных «температур». Области «льда» ведут себя так, как будто они находятся при низкой температуре (около -272 °C или 1 Кельвин), сохраняя порядок спинового льда и монополи. В то же время, области «пламени» демонстрируют поведение, характерное для очень высоких температур (тысячи Кельвинов), с хаотично флуктуирующими спинами. И все это происходит одновременно в одном и том же крошечном образце материала.
Рико Шёнлебер, научный сотрудник BNL, подчеркнул сложность эксперимента: «Измерение магнитных сигналов на таких коротких временных и пространственных масштабах — это настоящий вызов. Нам потребовались передовые возможности LCLS». Валентина Бизоньи, руководитель программы мягкой рентгеновской спектроскопии и рассеяния в синхротроне NSLS-II (также в BNL), отметила важность понимания неравновесных явлений для будущих технологий.
Значение и Потенциальные Применения
Открытие состояния «полулед, полупламя» имеет фундаментальное значение. Оно ставит под сомнение традиционные представления о том, как системы достигают теплового равновесия. Оказывается, материал может существовать в состоянии, где разные его части имеют кардинально разную эффективную температуру.
Помимо теоретической важности, это новое состояние материи открывает перспективы для практического применения:
- Квантовые вычисления: Управление магнитными монополями и их взаимодействием в таких системах может стать основой для новых типов кубитов — базовых элементов квантовых компьютеров.
- Магнитное охлаждение: Способность материала быстро поглощать и выделять энергию при изменении магнитного состояния может быть использована для создания более эффективных и экологичных систем охлаждения.
- Спинтроника: Контроль над спинами электронов лежит в основе спинтроники — области, стремящейся использовать спин для хранения и обработки информации. Обнаруженное явление дает новые инструменты для манипуляции спиновыми конфигурациями.
Исследователи планируют продолжить изучение этого необычного состояния, варьируя параметры лазерного воздействия и исследуя другие материалы со схожими свойствами. Понимание того, как формируется и контролируется состояние «полулед, полупламя», может привести к созданию материалов с заранее заданными динамическими магнитными свойствами. Это открытие, опубликованное в журнале Physical Review X, является ярким примером того, как фундаментальные исследования раздвигают границы нашего понимания материи и открывают путь к технологиям будущего.