Новая фаза сочетает в себе несколько «восходящих» спинов электронов внутри атома, которые являются высокоупорядоченными и называются холодными циклами, и несколько «нисходящих» спинов, которые являются сильно неупорядоченными и называются горячими циклами, благодаря чему фаза получила прозвище «наполовину лед, наполовину огонь».

«Полулед, полуогонь» — важное открытие не только из-за его новизны, но и потому, что он может производить резкое переключение между фазами при разумных температурах. Это близнец состояния «полуогонь-полулед», впервые замеченного той же командой из Брукхейвенской национальной лаборатории — физиками Вейгуо Инь и Алексеем Цвеликом, а также их тогдашним стажером Кристофером Ротом — еще в 2016 году.

По словам команды, эти открытия дают представление о некоторых центральных вопросах физики и материаловедения, а также позволяют выявить новые состояния материи с экзотическими свойствами и манипулировать переходом между этими состояниями.

«Решение этих проблем может привести к большим достижениям в таких технологиях, как квантовые вычисления и спинтроника», — сказал Инь в заявлении Брукхейвенской национальной лаборатории. Цвелик добавил, что результаты работы команды «могут открыть новую дверь к пониманию и контролю фаз и фазовых переходов в определенных материалах».

«Недостающие кусочки головоломки»

Инь и Цвелик впервые обнаружили «наполовину лед, наполовину огонь», когда проводили исследование типа магнитного материала, называемого ферримагнитом. Ферримагниты состоят из атомов с противоположными магнитными моментами, но из-за неравенства популяций сохраняется некоторая намагниченность.

Конкретный ферримагнит, в котором наблюдался «наполовину лед, наполовину огонь», — это Sr3CuIrO6, соединение, состоящее из стронция, меди, иридия и кислорода. Это тот же материал, в котором команда первоначально обнаружила «полуогонь-полулед», который они вызвали, или заставили возникнуть внутри ферримагнита, подвергнув материал воздействию внешнего магнитного поля. В «полуогне-полульде» горячие спины возникали на медных участках и имели меньшие магнитные движения, в то время как на иридиевых участках возникали холодные спины с большими магнитными движениями.

Хотя это было захватывающее открытие, Цвелик признал, что это только первый шаг.

«Несмотря на обширные исследования, мы все еще не знали, как можно использовать это состояние», — сказал он. «Нам не хватало кусочков головоломки».

Теперь недавняя работа, возглавляемая Инь, показала, что у «полуогня-полульда» есть скрытое и противоположное состояние, в котором горячий и холодный спины меняются местами. Команда определила чрезвычайно узкий температурный диапазон, в котором происходит переключение между фазами, что имеет многообещающие последствия для целого ряда областей.

В коммерческом плане такое сверхчеткое переключение фаз может привести к прогрессу в технологии охлаждения. Возможно, даже удастся использовать сами фазы в качестве битов в новом подходе к хранению квантовой информации. «Дверь к новым возможностям теперь широко открыта», — сказал Инь.

Открытие новой фазы материи, получившей название «наполовину лед, наполовину огонь», открывает перспективы для прорыва в квантовых вычислениях и спинтронике. Эта фаза, характеризующаяся сочетанием упорядоченных («холодных») и неупорядоченных («горячих») спинов электронов, позволяет резко переключаться между состояниями при относительно невысоких температурах.

Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории, первыми обнаружившие состояние «полуогонь-полулед» в 2016 году, теперь выявили противоположное и скрытое состояние — «наполовину лед, наполовину огонь». Это открытие было сделано на ферримагнетике Sr3CuIrO6, состоящем из стронция, меди, иридия и кислорода.

Ученые определили узкий температурный диапазон, в котором происходит переключение между этими фазами, что может быть использовано в технологиях охлаждения. Кроме того, фазы могут найти применение в качестве битов для хранения квантовой информации.

Это открытие расширяет понимание фаз и фазовых переходов в материалах, открывая новые возможности для управления состояниями материи и их экзотическими свойствами.

Результаты исследования новой фазы были опубликованы в журнале Physical Review Letters в декабре 2024 года.