Физики создали антиспиновый лёд с обратными правилами порядка
Физики построили первую экспериментальную систему, в которой главное правило спинового льда работает наоборот. Вместо стремления к минимальному локальному заряду частицы собираются в конфигурации с максимально возможным зарядом. При усложнении геометрии решётки стремление к идеальному порядку неожиданно рождает устойчивый беспорядок.
Работу провели исследователи из Барселонского университета и Лос-Аламосской национальной лаборатории. Созданный ими антиспиновый лёд состоит не из замёрзшей воды и даже не из обычных магнитных атомов. Экспериментальная система собрана из микроскопических парамагнитных частиц, размещённых в искусственной двумерной решётке.
Название спиновый лёд появилось из-за сходства с обычным водяным льдом. В кристалле воды расположение молекул ограничивает так называемое ледовое правило. Похожий принцип можно воспроизвести в магнитных и искусственных системах, где каждый элемент имеет два возможных состояния. В квадратном спиновом льду возле каждого узла два условных спина направлены внутрь, а ещё два наружу. Такая конфигурация сводит локальный топологический заряд к минимуму.
В новом эксперименте роль спинов выполняют положения коллоидных частиц. Каждая частица диаметром 2,8 мкм находится в микроскопической ловушке и может смещаться к одному из двух её концов. Положение ближе к узлу решётки физики считают направлением внутрь, положение дальше от узла соответствует направлению наружу. Речь идёт о псевдоспинах, а не о собственном квантовом спине самой частицы.
Топологический заряд здесь тоже не означает настоящий электрический заряд. Физики используют величину для описания того, сколько псевдоспинов направлено к конкретному узлу и сколько от него. Обычный спиновый лёд старается сделать абсолютное значение такого заряда как можно меньше. Антиспиновый лёд предпочитает противоположный вариант.
Ключевым изменением стало взаимодействие между частицами. В предыдущих вариантах коллоидного спинового льда частицы отталкивались друг от друга. Исследователи заставили парамагнитные частицы притягиваться с помощью быстро вращающегося магнитного поля, направленного вдоль плоскости решётки. Усреднённое за полный оборот поля магнитное взаимодействие становится притягивающим независимо от направления между двумя частицами.
Сначала физики проверили принцип на двух свободных коллоидах. При вращении магнитного поля с частотой 50 Гц частицы сближались, а измеренное движение согласовалось с моделью магнитного дипольного взаимодействия. После проверки притяжение использовали уже внутри искусственного льда.
На квадратной и сотовой решётках смена отталкивания на притяжение полностью изменила наиболее выгодные конфигурации. Вместо узлов с минимальным зарядом система начала формировать узлы с максимальным зарядом. В предельном случае все псевдоспины возле одного узла направлены внутрь, а возле соседнего наружу. Положительные и отрицательные топологические заряды чередуются, образуя упорядоченный зарядовый кристалл.
Особенно важен результат с сотовой решёткой. Обычный спиновый лёд такой геометрии не может полностью избавиться от локального заряда. После обращения взаимодействия исследователи получили упорядоченное основное состояние с чередованием максимально заряженных узлов. Простая смена знака взаимодействия между частицами тем самым меняет не только энергию отдельных конфигураций, но и характер порядка во всей системе.
Самая необычная картина появилась в пентагептитовой решётке. Структура состоит из пятиугольников и семиугольников, поэтому замкнутые контуры содержат нечётное число связей. Идеально чередовать положительные и отрицательные максимальные заряды по всей решётке при такой геометрии невозможно.
Каждый отдельный узел по-прежнему стремится увеличить собственный заряд, но соседние узлы не позволяют выполнить выгодное правило одновременно во всей структуре. В результате часть узлов неизбежно остаётся в состояниях с меньшим зарядом. Усиление магнитного притяжения не устраняет такие участки, поскольку причина кроется не в недостаточной силе взаимодействия, а в геометрии самой решётки.
Авторы называют возникший режим фрустрацией топологического заряда. При обычной геометрической фрустрации конфликт между локальными правилами мешает системе минимизировать энергию всех участков сразу. В антиспиновом льду конфликт возникает при попытке максимизировать локальные заряды и выстроить их в глобально согласованную структуру.
Эксперимент показывает, что фрустрацию можно создавать не только выбором формы решётки, но и изменением характера взаимодействия между её элементами. Управляемые коллоидные системы позволяют менять силу магнитного притяжения прямо во время опыта, поэтому физикам не приходится изготавливать отдельный образец для каждого режима.
Практического устройства исследователи пока не предлагают. Главный результат связан с фундаментальной физикой сложных систем. Антиспиновый лёд даёт экспериментальную платформу для изучения переходов между порядком и фрустрацией, движения топологических зарядов и программируемых классических топологических состояний.