Фізики визначили новий стан речовини, структурний порядок якої працює за правилами, більш узгодженими з квантовою механікою, ніж стандартна термодинамічна теорія. У класичному матеріалі, званому штучним спиновим льодом, який у певних фазах виявляється неупорядкованим, матеріал фактично впорядкований, але в «топологічній» формі.
«Наші дослідження вперше показують, що класичні системи, такі як штучний спиновий лід, можуть бути спроектовані для демонстрації топологічних впорядкованих фаз, які раніше були виявлені тільки в квантових умовах», - сказав фізик Національної лабораторії Лос-Аламоса Кріштіано Нісолі, лідер теоретичної групи науковців, який співпрацював з експериментальною групою в Університеті штату Іллінойс в Урбампейн.
Фізики зазвичай класифікують фази речовини як впорядковані, такі як кристали, і неупорядковані, такі як гази, і вони роблять це на основі симетрії такого порядку, сказав Нісолі.
«Демонстрація того, що ці топологічні ефекти можуть бути сконструйовані в штучну систему спинового льоду, відкриває двері для широкого спектру можливих нових досліджень», - говорить Шиффер.
У новій роботі команда досліджувала певну геометрію штучного спинового льоду, звану спиновим льодом Шакті. Тоді як ці матеріали теоретично розроблені, цього разу відкриття його екзотичних, поза рівноважними властивостями перейшло від експериментів до теорії.
Виконуючи характеристику фотоемісійної електронної мікроскопії в Національній лабораторії Лоуренса Берклі, команда Шиффера виявила щось загадкове: на відміну від інших штучних спинових льодів, які могли досягти свого низькоенергетичного стану в міру зниження температури в послідовних гашеннях, спиновий лід Шакти вперто залишався приблизно на тому ж енергетичному рівні.
«Система застрягає таким чином, що вона не може перебудуватися, навіть якщо великомасштабна перебудова дозволить їй впасти до нижчого енергетичного стану», - сказав Шиффер.
Ясно, що щось зберігало стан, але ніщо не проявилося як очевидний кандидат у матеріалі, штучно розробленому для забезпечення неупорядкованої спинової картини.
Відхиляючись від спинової картини і концентруючись на описі збуджень системи, Нісолі описав стан з низькою енергією, який можна було точно відобразити в знамениту теоретичну модель, «модель димерного покриття», чиї топологічні властивості були визнані раніше. Потім дані експерименту підтвердили збереження топологічного заряду і, отже, тривалий термін служби порушень.
«Мені здається, це найбільш інтригує, тому що зазвичай теоретичні рамки переходять від класичної фізики до квантової фізики, а не до топологічного порядку», - сказав Нісолі.
Резюме:
Системи взаємодіючих наномагнетиків, відомих як штучний спиновий лід, дозволили розробити, реалізувати і вивчити геометрично засмучені екзотичні колективні стани, які відсутні в природних магнітах. Ми експериментально виміряли термічно індуковані коливання моменту в геометрії штучного спинового льоду Шакті. Ми показуємо, що його неупорядкована конфігурація моменту являє собою топологічну фазу, описувану моделлю димерного покриття з збудженнями, які можна охарактеризувати як топологічно заряджені дефекти. Вивчення низькоенергетичної динаміки системи підтверджує, що ці ефективні топологічні заряди мають тривалий час життя, пов'язані з їх топологічним захистом, тобто вони можуть бути створені і знищені тільки як зарядові пари з протилежним знаком і кінетично обмежені. Цей прояв класичного топологічного порядку демонструє, що геометричний дизайн у наномагнітних системах може призвести до появи топологічно захищеної кінетики, яка може обмежувати шляхи до врівноваження та ергодичності.
