Физики доказали важность мезомасштаба для квантовых фазовых переходов

Для низкотемпературных фазовых переходов в ферромагнетиках оказалось характерно разрушение доменной структуры. В статье в Nature физики пишут, что для теоретического описания динамики таких переходов необходимо учитывать не только микроскопическую, но и мезомасштабную симметрию. Это открытие указывает на возможность существования неклассических свойств в квантовых материалах.

Ферромагнитные материалы имеют два уровня структурного порядка: микроскопический и мезоскопический. На уровне атомов друг с другом взаимодействуют соседние спины, выстраиваясь преимущественно вдоль оси легкого намагничивания. На мезоскопическом уровне магнитные моменты появляются уже у доменов — областей размером в кубические миллиметры. Внутри каждого домена спины сонаправлены, а в соседних — суммарные магнитные моменты имеют разное направление, которое может отличаться от направления легкой оси. При фазовом переходе из ферромагнитного в парамагнитное состояние магнитные моменты разупорядочиваются, и оба порядка — и микроскопический, и мезоскопический — разрушаются.

В случае классических фазовых переходов, которые происходят из-за тепловых флуктуаций, ученые часто учитывают и разрушение доменов. В отличие от классических фазовых переходов, квантовые происходят из-за квантовых флуктуаций при температурах близких к абсолютному нулю. Несмотря на то, что оба класса фазовых переходов имеют общий флуктуационный характер и для их описания используются одни и те же параметры и уравнения статистической физики, квантовые ферромагнитные фазовые переходы до сих пор описывали без учета мезоструктуры материала.

Группа ученых под руководством Маттиаса Войты (Matthias Vojta) и Кристиана Пфляйдерера (Christian Pfleiderer) из Технического университета Мюнхена и Технического университета Дрездена впервые показала, что при рассмотрении квантовых фазовых переходов из ферромагнитного в парамагнитное состояние необходимо учитывать доменную структуру. Чтобы показать, как мезоструктура влияет на фазовый переход, авторы взяли смешанный фторид лития и гольмия LiHoF₄, ферромагнитный ниже 1,63 кельвина. Физики вызывали фазовый переход, прикладывая поле, перпендикулярное легкой оси. Оно разрушало микроскопический порядок.

Параметром порядка, по которому авторы определяли фазовый переход, служила магнитная восприимчивость — коэффициент пропорциональности между внешним магнитным полем и намагниченностью образца. У ферромагнетиков она больше единицы, у парамагнетиков близка к нулю. Согласно классическим фазовым теориям, в частности теории среднего поля, восприимчивость логарифмически убывает при переходе из ферромагнитного в парамагнитное состояние, если не учитывать доменную структуру, поэтому физики изучали, как меняется восприимчивость в зависимости от внешнего магнитного поля.

Сначала ученые рассмотрели классический случай, когда внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно магнитной оси. Как и предсказывает теория, вплоть до критического значения напряженности магнитного поля (когда происходит переход) восприимчивость не менялась, а при переходе через критическое значение — начинала плавно убывать с ростом напряженности. Несоответствие с теорией физики обнаружили, когда изменили угол приложения поля, таким образом, его проекция на легкую ось стала ненулевой. При достижении критической напряженности магнитная восприимчивость резко падала. Также ученые наблюдали сильное уменьшение критической напряженности при уменьшении угла (соответственно увеличении проекции) между легкой осью и направлением напряженности.

Несоответствие характера изменения восприимчивости теории послужило одним из обоснований влияния доменов на переход. Резкое изменение восприимчивости, по мнению авторов работы, свидетельствует о спонтанном нарушении симметрии, но поскольку микроскопическая симметрия разрушается при приложении поля из-за особенностей структуры фторида лития и гольмия, единственная оставшаяся симметрия, которую можно разбить, — домены.

Чтобы подтвердить эмпирические выводы, авторы разработали теоретическую модель, которая учитывает доменное взаимодействие. В этой модели суммарные магнитные моменты доменов ориентированы вдоль оси легкого намагничивания и оси наложения поля, домены с разным направлением вдоль легкой оси чередуются. Сами домены имеют прямоугольную форму, толщина антинаправленных доменов уменьшается с ростом магнитного поля. При фазовом переходе сначала разрушается микроскопический порядок, а потом истончаются и разрушаются антинаправленные домены и затем происходит полное разупорядочивание моментов. При таком описании энергию взаимодействия доменов можно представить как энергию взаимодействия магнитных моментов атомов, только имеющую большую величину и нормированную на объем домена. Эта модель показала отличное согласие с экспериментальными данными как для микроскопического случая — когда поле приложено перпендикулярно легкой оси и доменным взаимодействием можно пренебречь, — так и для случая наклонного поля.

Работа ученых показывает, что наличие доменной структуры меняет характер ферромагнитного квантового фазового перехода и влияет на значение критических параметров, в частности критической напряженности. Поэтому для описания систем с мезоскопической симметрией необходимо учитывать доменное взаимодействие, которое может быть определяющим механизмом переходов. Физики пишут, что эти механизмы могут привести к появлению у квантовых материалов каких-то новых свойств , которых нет у классических аналогов. А также дает возможность оценить квантовую запутанность спиновых систем и изучить процессы туннелирования одиночных моментов и доменных стенок.

Для исследования квантовых фазовых переходов все чаще применяют квантовые симуляторы, например, в прошлом году 256-кубитный вычислитель открыл несколько квантовых фаз, а другой обнаружил фазовый переход сквозь шум.

Илья Бения