В ранее исследованном экзотическом состоянии вещества, найденном в магнетическом соединении, была обнаружена новая фаза. В 2016 году физики Уэйгуо Инь, Кристофер Рот и Алексей Цвелик из Лаборатории Брукхейвена в США описали ее как «полуогненную, полуледяную» в материале Sr3CuIrO6, который состоит из стронция, меди, иридия и кислорода.

Теперь исследователи сделали открытие противоположной фазы, где сочетаются свойства льда и огня, в которой электроны проявляют разные поведения в двух различных структурах. В этом открытии важную роль играет явление, известное как фрустрация, которое описывает взаимодействие между соседними частицами. Изменение одного элемента системы может привести к изменениям в ее поведении, что проявляется в виде фазового сдвига.

В приготовленном материале, в котором сочетаются «половина огня» и «половина льда», спины электронов в решетке атомов меди беспорядочно вращаются, создавая эффект, напоминающий мерцающие языки пламени в аду. В то же время спины электронов в иридиевых участках находятся в фиксированном состоянии, обеспечивая более сильное магнитное притяжение.

Согласно математическим нормам для фазового сдвига, казалось невозможным изменить такую структуру. Тем не менее, это открытие позволило команде идентифицировать определенные изменения температуры, которые могут влиять на состояние всей системы. Эта обратимость — прорыв, который искали Инь и Цвелик, и является ключом к раскрытию потенциала Sr3CuIrO6 в области квантовой информатики и микроэлектроники.

Физик Инь подчеркивает важность изучения физических свойств конденсированных сред и материаловедения, заявляя о том, что решение возникших проблем может стать основой для значительного прогресса в таких областях, как квантовые вычисления и спинтроника. Он указывает на разнообразие форм магнитных материалов, среди которых обычные ферромагниты, как, например, железо, характеризуются тем, что все спины частиц имеют одно направление. В отличие от них ферримагнетики, такие как Sr3CuIrO6, содержат два разных спиновых состояния.

В недавно опубликованной работе, посвященной открытию, сделанному в 2016 году, отмечается, что странная фаза, в которой одновременно присутствуют свойства огня и льда, может быть вызвана воздействием внешнего магнитного поля. В этой фазе медные спирали распадаются на беспорядочные структуры, в то время как иридиевые спирали выстраиваются в аккуратные ровные ряды.

Кубиты — это базовые единицы квантовых вычислений, которые заимствуют свои свойства из спинов электронов. Однако для эффективного функционирования этих кубитов необходимо, чтобы спины могли принимать различные значения в двоичной системе, а контроль над спинами, позволяющий адаптировать кубиты к заданным условиям, будет значительно повышать их полезность.

Цвелик отмечает, что, несмотря на проведенные широкие исследования, понимание того, как можно использовать это состояние, остается недостаточным. Это связано с тем, что, согласно известной более века модели Изинга — стандартной математической модели ферромагнетизма, состояние «наполовину огонь, наполовину лед» не проявляет фазового перехода при конечной температуре.

Исследователи установили, что в довольно узком и строгом температурном диапазоне существует ранее не замеченное состояние, которое можно описать как «полуогонь, полулед». Это состояние характеризуется тем, что в нем ионизация меди приводит к упорядочиванию, тогда как ионизация иридия вступает в состояние беспорядка. Это явление не только подтверждает гипотезы о скрытых фазах и их динамике, но также пролагает путь к дальнейшим исследованиям в области квантовых материалов.

Инь подчеркивает, что это открытие — всего лишь следующий шаг в долгом пути к окончательной цели. Команда планирует углубиться в изучение явления «огонь-лед» в системах, обладающих квантовыми спинами, а также исследовать взаимодействия с зарядовыми и орбитальными степенями свободы.

Ранее Ливерпульский университет создал гибридный нанореактор, который использует солнечный свет для эффективного производства водорода. Это предлагается как устойчивая и экономически эффективная альтернатива традиционным фотокатализаторам.