Czym jest faza „pół lodu, pół ognia”? Nowe odkrycie fizyków z USA

Naukowcy odkrywają nową fazę materii w materiale magnetycznym – przełom w fizyce ciała stałego

Unikalna struktura: między uporządkowaniem a chaosem

Fizycy z amerykańskiego Brookhaven National Laboratory dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie fizyki materii skondensowanej. Udało im się zidentyfikować nową fazę materii w materiale magnetycznym, którą opisują jako stan „pół lodu, pół ognia”. To oryginalne określenie odzwierciedla unikalną równowagę między uporządkowanym a nieuporządkowanym zachowaniem spinów w badanym materiale. Odkrycie to nie tylko poszerza nasze rozumienie natury faz kwantowych, ale również otwiera nowe możliwości dla projektowania zaawansowanych materiałów do zastosowań technologicznych.

Eksperyment i materiały: na czym polega odkrycie?

Naukowcy badali zachowanie spinów (magnetycznych momentów elektronów) w krystalicznym materiale zawierającym jony gadolinu (Gd³⁺), które wchodzą w silne interakcje magnetyczne. W określonych warunkach temperaturowych i pod wpływem pola magnetycznego, materiał nie przechodził w klasyczny stan uporządkowany ani w całkowicie nieuporządkowany – lecz utrzymywał stan częściowego porządku spinowego. Część spinów była „zamrożona” w regularnej strukturze, a część zachowywała się w sposób dynamiczny i chaotyczny, mimo identycznych warunków otoczenia.

Ten fenomen został określony jako „częściowe topnienie układu spinowego” – czyli sytuacja, w której układ nie decyduje się w pełni ani na stan uporządkowany (jak w lodzie), ani na swobodne poruszanie się cząstek (jak w cieczy).

Znaczenie odkrycia: nowa klasa faz kwantowych

Nowa faza nie pasuje do klasycznego podziału faz materii (ciało stałe, ciecz, gaz, plazma), ani do bardziej zaawansowanych koncepcji takich jak szkła spinowe, stany topologiczne czy kondensaty Bosego-Einsteina. Zjawisko to może stanowić przykład tzw. faz emergentnych, w których własności makroskopowe układu nie wynikają wprost z cech jego poszczególnych składników.

Odkrycie to może pomóc w lepszym zrozumieniu stanów kwantowych w materiałach o silnej korelacji elektronowej oraz dostarczyć wskazówek do projektowania kwantowych materiałów funkcjonalnych, wykorzystywanych m.in. w spintronice, informatyce kwantowej i sensorach o wysokiej czułości.

Metody badawcze i modelowanie

Do identyfikacji nowej fazy wykorzystano szereg zaawansowanych metod eksperymentalnych, w tym:

• rozpraszanie neutronów – umożliwiające analizę rozmieszczenia i dynamiki spinów,

• dyfrakcję rentgenowską – do określania struktury krystalicznej,

• pomiary magnetyzacji i podatności magnetycznej – w różnych temperaturach i polach magnetycznych,

• symulacje komputerowe Monte Carlo i modelowanie kwantowe – w celu przewidzenia zachowania układu na poziomie mikroskopowym.

Połączenie danych eksperymentalnych z teoretycznymi modelami pozwoliło na jednoznaczne odróżnienie tej fazy od wcześniej znanych stanów materii.

Potencjalne zastosowania technologiczne

Chociaż odkrycie ma przede wszystkim charakter fundamentalny, jego potencjalne zastosowania mogą być szerokie:

• Nowe rodzaje pamięci magnetycznej – z możliwością jednoczesnego istnienia stabilnych i dynamicznych stanów spinowych,

• Kwantowe przetwarzanie informacji – gdzie stany „pośrednie” między uporządkowaniem a chaosem mogą umożliwiać nowe typy operacji logicznych,

• Czujniki kwantowe – reagujące na subtelne zmiany pola magnetycznego lub temperatury, bazujące na nietypowym zachowaniu spinów,

• Materiały o programowalnych właściwościach magnetycznych – regulowanych przez zewnętrzne pola lub zmiany strukturalne.

Znaczenie dla fizyki teoretycznej

Zidentyfikowanie takiej fazy kwantowej ma również istotne znaczenie dla fizyki teoretycznej. Stanowi ona przykład nieliniowej odpowiedzi układu kwantowego na warunki zewnętrzne – co wymaga nowej klasy opisów matematycznych. Może to przyczynić się do opracowania bardziej ogólnych teorii faz kwantowych i przejść fazowych poza klasycznym schematem Landaua.

Podsumowanie

Nowa faza materii odkryta przez zespół z Brookhaven National Laboratory jest jednym z najbardziej intrygujących odkryć w dziedzinie fizyki ciała stałego ostatnich lat. Jej wyjątkowa struktura – łącząca cechy porządku i nieporządku – otwiera nowe możliwości badawcze i technologiczne w dziedzinie materiałów magnetycznych i kwantowych. Dalsze badania nad tym zjawiskiem mogą doprowadzić do odkrycia jeszcze bardziej złożonych stanów materii i umożliwić rozwój nowej generacji technologii opartych na właściwościach kwantowych.