Ledus un liesmu dziesma realitātē: fiziķi ir atklājuši jaunu vielas kvantu stāvokli

Pētnieki no Brukheivenas Nacionālās laboratorijas ASV savā jaunajā pētījumā atklājuši eksotisku kvantu fāzi, ko sauc par "pusledus, pusuguns".

Tiek atzīmēts, ka šī kvantu stāvokļa fāze tika atklāta ferimagnētiem ar sakārtotiem (auksto) un nesakārtotiem (karsto) elektronu spiniem - fundamentāla daļiņu īpašība (piemēram, atomu kodola vai elementārdaļiņu), kas daļēji līdzīga daļiņas "pašmomenam". Spins ir kvantu īpašība un nav analoga klasiskajā fizikā. Klasiskais moments rodas no masīva ķermeņa ar galīgām dimensijām rotācijas, kamēr spinam tas nav nepieciešams un tas eksistē pat tā dēvētajiem punktiem, kas šobrīd tiek uzskatīti par bezstruktūras daļiņām, un tas nav saistīts ar mases rotāciju. Tradicionālas idejas paredz matērijas esamību cietā, šķidrumā, gāzveidīgā stāvoklī un plazmas stāvoklī. Taču kvantu fizikā magnētisko materiālu stāvokļi var būt ļoti eksotiski.

Fiziki Veigo Jiņs un Aleksejs Cvzēliks atklājuši jaunu kvantu fāzi vienas dimensijas ferimagnētam Sr₃CuIrO₆, kas ir stroncija, vara, irīdija un skābekļa savienojums. "Pusledus, pusuguns" stāvoklī elektronspini atomā ir sakārtoti "aukstajā stāvoklī" un nekustas, bet citi spini atrodas tā saucamajā "haotiskajā, karstā" stāvoklī.

Pētījumi sākās jau 2012. gadā, kad, izpētot ferimagnēta Sr₃CuIrO₆ īpašības, zinātnieki publicēja divus zinātniskus rakstus par teorētiskajiem un eksperimentālajiem pētījumiem. 2016. gadā Jiņs un Cvzēliks izpētīja ferimagnēta Sr₃CuIrO₆ fāzes stāvokļus un atklāja "pusuguns, pusledus" fāzi. Šajā stāvoklī, kuru inducē kritiskais ārējs magnētiskais lauks, "karstie" spini varā mezglos ir absolūti haotiski uz atomu režģa un tiem ir mazāki magnētiskie momenti, kamēr "aukstie" spini irīdija mezglos ir pilnībā sakārtoti un tiem ir lieli magnētiskie momenti.

"Neskatoties uz mūsu plašajiem pētījumiem, mēs vēl nezinājām, kā šo stāvokli var izmantot, īpaši tāpēc, ka gandrīz gadsimtu ir zināms, ka vienas dimensijas Izinga modelis, kurš rada pusuguns, pusledus stāvokli, nesatur fāzu pāreju pie noteiktas temperatūras. Mums trūka galvenā puzzle daļa," norāda Veigo Jiņs.

Taču pētniekiem izdevās atrast nepieciešamās puzzle daļas un pierādīt, ka fāzu pāreja, kas Izinga modeļa izpratnē ir neiespējama, tomēr iespējama. Tas tika panākts, pateicoties īpaši šaurai fāzu pārejai pie fiksētas temperatūras.

Šajā fāzē "aukstie" un "karstie" spini mainās vietām. Komanda identificēja ārkārtīgi šauru temperatūras diapazonu, kurā notiek pāreja starp fāzēm, kas ir ļoti nozīmīgi daudzās nozarēs. Ultraasas fāzes maiņa ar gigantiski mainīgu magnētisko entropiju var tikt izmantota kriogēno tehnoloģiju pilnveidošanai, kā arī kā pamats jauna tipa kubitiem kvantu datoros.

"Turpmāk mēs plānojam pētīt šo fenomenu sistēmās ar kvantu spiniem un papildu brīvības grādiem režģos un orbitālajos lādiņos. Durvis uz jaunām iespējām tagad ir plaši atvērtas. Iespējams, pat izdosies izmantot pašas fāzes kā bitus jaunā pieejā informācijas glabāšanai kvantu datoros," pieļauj Veigo Jiņs.

Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Physical Review Letters

Avots: SciTechDaily