Наполовину лед, наполовину огонь: странное состояние материи открывает новые технологии для хранения энергии и квантов

Физики открыли новую фазу материи, которую они назвали «полулед, полуогонь» — это причудливая смесь холодных упорядоченных и горячих хаотичных электронных спинов. Открытие переворачивает сценарий ранее принятых ограничений в физике и обещает спровоцировать прогресс в квантовых вычислениях, изучении магнитного охлаждения и многих других сферах. Оно предлагает совершенно новый способ манипулирования материей с ультравысокой точностью. Результаты исследования подробно изложены в Physical Review Letters.

Эта фаза представляет собой уникальное расположение электронных спинов — собственных моментов импульса электронов, которые могут вращаться только в двух противоположных направлениях, условно обозначенных «вверх» либо «вниз». Фаза представляет собой смесь высокоупорядоченных («холодных») и неупорядоченных («горячих») спинов. Из-за этой необычной комбинации исследователи назвали фазу «полулед, полуогонь». Открытие возникло в результате изучения одномерной модели магнитного материала, известного как ферримагнетик.

Что делает «полулед, полуогонь» особенно значимым, так это его способность вызывать чрезвычайно резкие переходы между различными состояниями материи при практически конечной температуре — то, что может найти будущее применение в энергетических системах и информационных технологиях.

Нахождение новых состояний с экзотическими физическими свойствами — и способность понимать и контролировать переходы между этими состояниями — являются центральными проблемами в области физики конденсированного состояния и материаловедения. Решение этих проблем может привести к большим достижениям в таких технологиях, как квантовые вычисления и спинтроника.

Ученые предполагают, что благодаря этому исследованию получится открыть новые возможности для понимания и управления фазами и фазовыми переходами в определенных материалах.

Фаза «полулед, полуогонь» — это состояние-близнец фазы «полуогонь, полулед», открытой этими же физиками в начале 2024 года. Но оба открытия отсылают к 2012 году, когда авторы исследования изучали Sr3CuIrO6 — магнитное соединение стронция, меди, иридия и кислорода. Они продолжили изучать фазовое поведение Sr3CuIrO6 и в 2016 году обнаружили фазу «полуогонь, полулед». В этом состоянии, которое вызвано критическим внешним магнитным полем, «горячие» спины на участках меди полностью разупорядочены на атомной решетке и имеют меньшие магнитные моменты, в то время как «холодные» спины на участках иридия полностью упорядочены и имеют большие магнитные моменты. Работа была опубликована в Physical Review B.

Но ученые все еще не знали, как можно использовать это состояние, особенно потому, что уже столетие хорошо известно, что одномерная модель Изинга — устоявшаяся математическая модель ферромагнетизма, которая создает состояние полуогня-полульда, не допускает фазового перехода при конечной температуре. Не хватало частей этой головоломки.

Недавно же выяснилось, что вышеупомянутый фазовый переход может быть достигнут с помощью сверхузкого фазового перехода при фиксированной конечной температуре.

В новой работе физики выявили, что «полуогонь, полулед» имеет противоположное, скрытое состояние, в котором горячие и холодные спины меняются местами. То есть горячие спины становятся холодными, а холодные спины становятся горячими.

Модель показывает, что переключение между фазами происходит в сверхузком диапазоне температур, и ученые уже предложили возможные способы использования этого в будущем. Например, сверхрезкое переключение фаз с гигантским изменением магнитной энтропии, предлагаемое «полуогнем, полульдом», может быть полезным для холодильных технологий. Это явление также можно задействовать в качестве основы для нового типа технологии квантового хранения информации, в которой фазы действуют как биты.