Fizycy odkryli nowy stan skupienia materii. Ma cechy lodu i ognia

Nowy stan skupienia wynika z nietypowego układu spinów elektronów na poziomie kwantowym. Materia ta zawiera szereg górnych spinów elektronów o wysokim uporządkowaniu, które nazywane są zimnymi cyklami, oraz dolnych spinów, które wykazują przeciwne cechy. Stąd też nazwa "pół lód, pół ogień". Jego odkrywcy podkreślają, że stan ten nigdy wcześniej nie był obserwowany.

To zderzenie przeciwieństw jest nie tylko nowatorskim odkryciem, ale również jest wyjątkowe ze względu na możliwość szybkiego przełączenia stanu skupienia bez potrzeby wchodzenia w ekstremalne temperatury. Po raz pierwszy ten stan skupienia zaobserwował w 2016 roku ten sam zespół naukowców - fizycy Weiguo Yin i Alexei Tsvelik oraz ich ówczesny stażysta Christopher Roth - z Brookhaven National Laboratory. Swoje odkrycie opisali dopiero w zeszłym roku.

"Znalezienie nowych stanów [skupienia] o egzotycznych właściwościach fizycznych oraz możliwość zrozumienia i kontrolowania przejść między tymi stanami to kluczowe problemy na polu fizyki materii skondensowanej i nauki o materiałach. Rozwiązanie tych problemów może prowadzić do osiągnięć w technologiach, takich jak komputery kwantowe i spintronika" - wyjaśnia w oświadczeniu współautor badania, Weiguo Yin.

Badania nad nowym stanem skupienia materii zaczęły się w 2012 r., kiedy Weiguo Yin i Alexei Tsvelik dołączyli do projektu kierowanego przez fizyka Johna Hilla. Badali oni Sr₃CuIrO₆, magnetyczny związek strontu, miedzi, irydu i tlenu. Na początku opublikowali dwa artykuły naukowe, a dopiero po 4 latach odkryli "pół ogień, pół lód".

Jak się okazało w trakcie badań nad ferromagnetykiem, pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego "gorące" spiny w elektronach miedzi wykazują całkowite nieuporządkowanie i mają mniejsze momenty magnetyczne, zaś "zimne" spiny w irydzie są w pełni uporządkowane i osiągają większe momenty magnetyczne.

Ferromagnetyki posiadają atomy po przeciwnych biegunach magnetycznych, ale ich liczba jest nierówna, dlatego część namagnesowania nie ulega utracie. Przykładem takiego materiału jest wspomniany wcześniej Sr₃CuIrO₆.

Mimo że ta paradoksalna na pozór właściwość fizyczna została już całkiem dobrze poznana, naukowcy zdają sobie sprawę, że potrzeba jeszcze wielu badań, by móc ją wykorzystać - choćby w komputerze kwantowym.

"Pomimo naszych rozległych badań nadal nie wiemy, jak wykorzystać ten stan skupienia, szczególnie że od stulecia wiadomo, iż jednowymiarowy model Isinga, przyjęty model matematyczny ferromagnetyzmu, który tworzy stan pół ognia, pół lodu, nie obejmuje przejścia fazowego o skończonej temperaturze. Byliśmy brakującymi elementami układanki" - pisze w oświadczeniu Alexei Tsvelik.

Naukowcy mają jednak nadzieję znaleźć praktyczne zastosowania nowego stanu skupienia. "W dalszej kolejności zamierzamy eksplorować fenomen ognia-lodu w systemach ze spinami kwantowymi oraz dodatkowymi stopniami swobody sieci, ładunku i orbit. Drzwi do nowych możliwości są teraz szeroko otwarte" - dodaje Weiguo Yin.

Źródło: W. Yin i A. M. Tsvelik, Phase Switch Driven by the Hidden Half-Ice, Half-Fire State in a Ferrimagnet, "Physical Review Letters" (2024)

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 87 tys. obserwujących nasz fanpage - polub GeekWeek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!