Топологический порядок обнаружили в искусственном спиновом льду

Американские физики обнаружили образование топологически упорядоченных фаз в искусственном спиновом льду — системе вытянутых магнитных наночастиц, расположенных в узлах двумерной решетки шакти. Это первый случай, когда такие фазы были найдены в полностью классических физических системах, а не квантовых, пишут ученые в Nature Physics.

Если вытянутые ферромагнитные наночастицы закрепить на плоскости по узлам довольно густой квадратной сетки, то за счет пространственного ограничения магнитные моменты частиц окажутся согласованы между собой и смогут принимать лишь одно из двух направлений (вперед или назад) без промежуточных состояний. Из-за дискретности энергетических состояний такую систему называют искусственным спиновым льдом. При этом благодаря геометрической фрустрации любое состояние системы магнитных моментов оказывается энергетически напряженным, и искусственный спиновый лед обладает ненулевой энтропией даже при абсолютном нуле. Из-за этого свойства в такой системе могут образовываться довольно необычные фазы, нехарактерные для обычных магнитных веществ.

Образуется искусственный спиновый лед в двумерных решетках нескольких различных конфигураций, в частности, при шахматном порядке расположения частиц. Американские физики под руководством Питера Шиффера (Peter Schiffer) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне решили исследовать физические свойства другой решетки искусственного спинового льда, состоящего из вытянутых ферромагнитных частиц длиной около полумикрона, расположенных в виде решетки шакти (на рисунке).

Такую решетку можно разбить на отдельные элементы по две или четыре частицы, магнитные моменты у которых находятся в одной из нескольких различных конфигураций, переходящих друг в друга с течением времени. Проведя исследование такой решетки с помощью фотоэлектронной спектроскопии, физики собрали информацию о динамике магнитных моментов каждой частицы в решетке и определили, как фазовое состояние системы меняется за счет тепловых флуктуаций при температурах ниже точки Кюри, то есть когда все частицы находятся в ферромагнитном состоянии.

Оказалось, что искусственный спиновый лед с решеткой шакти даже при низких температурах образует разупорядоченную фазу, которую при этом можно описать как структуру с топологическим порядком. (Подробнее о топологическом порядке в квантовых системах вы можете прочитать в интервью с Алексеем Рубцовым). Оказалось, что разупорядоченные магнитные моменты в двух- или четырехчастичных элементах можно представить как заряженные топологические дефекты, аналогичные вихрям, рассматриваемым при топологических фазовых переходах, например в двумерных сверхпроводниках. В каждой ячейке они образуются строго по одному, формируя при этом решетку со структурой мозаики домино — фазы с топологическим порядком.

Из-за топологической защиты это возбужденное состояние состояние оказывается очень устойчивым и сохраняется даже при значительном понижении температуры. Время жизни дефектов при этом достаточно большое: например, при −50 градусах Цельсия за магнитный момент одной частицы в одной ячейке меняется раз в три секунды, а при понижении температуры до −100 градусов Цельсия эта скорость падает еще на порядок.

Ученые утверждают, что обнаруженный ими топологический порядок — это первый случай наблюдения подобного эффекта в полностью классических системах. До этого подобный тип фаз топологического упорядочения находили только в квантовых системах.

Решетка шакти — не единственная фаза искусственного спинового льда, для которой характерно довольно необычное поведение магнитных моментов. Например, недавно физики обнаружили, что к медленному разворачиванию моментов в шахматной решетке может приводить тепловая энергия окружающей среды, что можно использовать, например, для создания магнитных моторов, основанных на преобразовании тепловой энергии в механическую.

Александр Дубов