V magnete sa našiel nový stav hmoty – napoly ľad, napoly oheň

V roku 2016 fyzici Weiguo Yin, Christopher Roth a Alexei Tsvelik z Brookhavenského národného laboratória v USA identifikovali v Sr3CuIrO6, zmesi stroncia, medi, irídia a kyslíka, fázu spinových stavov, ktorú nazvali „napoly oheň, napoly ľad“. Teraz zistili opak: fázu „napoly ľad, napoly oheň“ („half-ice, half-fire“), v ktorej si elektróny v rámci dvoch rôznych štruktúr vymieňajú správanie.

Pre tento objav je rozhodujúci pojem označovaný ako frustrácia, opis interakcií medzi susednými časticami. V materiáli tímu, ktorý je napoly ohňom, napoly ľadom, sú spiny elektrónov na mriežke atómov medi neusporiadané ako mihotavé plamene. Tie z irídiových miest sú zmrazené na mieste, čo im dodáva silnejšiu magnetickú príťažlivosť.

Podľa matematického štandardu fázového posunu sa zdalo nemožné, aby sa táto formácia pohla. Napriek tomu rozhodujúce zistenie viedlo tím k nájdeniu definitívnej zmeny teploty, ktorá celý stav prevráti. Táto reverzibilita je prelomom, ktorý Yin a Tsevik hľadali – je kľúčom k odomknutiu potenciálu Sr3CuIrO6 pre kvantovú informatiku a mikroelektroniku.

„Hľadanie nových stavov s exotickými fyzikálnymi vlastnosťami a schopnosť pochopiť a kontrolovať prechody medzi týmito stavmi sú ústrednými problémami v oblasti fyziky kondenzovanej hmoty a materiálovej vedy,“ hovorí Yin. „Vyriešenie týchto problémov by mohlo viesť k veľkému pokroku v technológiách, ako sú kvantové počítače a spintronika.“

^{Zdroj Foto: Brookhaven National Laboratory}

Magnetické materiály môžu mať niekoľko rôznych foriem. V bežnom feromagnetickom materiáli, ako je železo, sú spiny všetkých častíc zarovnané v rovnakom smere.  Feromagnet je taký, v ktorom sa nachádzajú dva spinové stavy, napríklad Sr3CuIrO6. Zvláštny stav „napoly oheň, napoly ľad“ možno vyvolať vonkajším magnetickým poľom, a to dosť nápadne. Spiny medi upadajú do neusporiadanosti, zatiaľ čo spiny iridia sa zoradia ako vojaci v pozore.

Je to celkom zaujímavé, ale samo osebe nie veľmi užitočné. Napríklad qubity, základné jednotky kvantových počítačov, môžu byť založené na spinoch elektrónov, ale tieto spiny musia byť schopné zobrazovať rôzne hodnoty binárnej sústavy. Laditeľné qubity, ktorých spiny možno manipulovať, sú už užitočnejšie. Napriek rozsiahlemu výskumu stále nebolo jasné, ako by sa tento stav dal využiť. Chýbali niektoré kúsky skladačky. Tieto kúsky sa spojili v novej práci tímu.

Zistili, že v rámci veľmi úzkeho teplotného rozsahu sa skrýva dvojča stavu „napoly oheň, napoly ľad“, fáza „napoly ľad, napoly oheň“, v ktorej sa meď usporiada a irídium upadne do neporiadku. To nielenže otvára možnosti pre budúci výskum skrytých fáz a ich prechodov; znamená to takisto, že fázovú zmenu možno prísne kontrolovať, čo otvára celú oblasť potenciálnych kvantových aplikácií. Výskum bol publikovaný v časopise Physical Review Letters.

Zdroj: sciencealert.com.

^{Zdroj Foto: depositphotos.com.}