Американські фізики виявили освіту топологічно впорядкованих фаз у штучному спиновому льоду - системі витягнутих магнітних наночастинок, розташованих у вузлах почесної решітки шакті. Це перший випадок, коли такі фази були знайдені в повністю класичних фізичних системах, а не квантових, пишуть вчені в.
Якщо витягнуті ферромагнітні наночастинки закріпити на площині по вузлах досить густої квадратної сітки, то за рахунок просторового обмеження магнітні моменти частинок виявляться узгоджені між собою і зможуть приймати лише один з двох напрямків (вперед або назад) без проміжних станів. Через дискретність енергетичних станів таку систему називають штучним спиновим льодом. При цьому завдяки геометричній фрустрації будь-який стан системи магнітних моментів виявляється енергетично напруженим, і штучний спиновий лід володіє ненульовою ентропією навіть при абсолютному нулі. Через це властивості в такій системі можуть утворюватися досить незвичайні фази, нехарактерні для звичайних магнітних речовин.
Утворюється штучний спиновий лід в почесних решітках декількох різних конфігурацій, зокрема, при шаховому порядку розташування частинок. Американські фізики під керівництвом Пітера Шиффера (Peter Schiffer) з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні вирішили дослідити фізичні властивості іншої решітки штучного спинового льоду, що складається з витягнутих ферромагнітних частинок довжиною близько півмікрона, розташованих у вигляді ґрат шакті (на малюнку).
Таку решітку можна розбити на окремі елементи по дві або чотири частинки, магнітні моменти біля яких знаходяться в одній з декількох різних конфігурацій, що переходять один в одного з плином часу. Провівши дослідження такої решітки за допомогою фотоелектронної спектроскопії, фізики зібрали інформацію про динаміку магнітних моментів кожної частинки в решітці і визначили, як фазовий стан системи змінюється за рахунок теплових флуктуацій при температурах нижче точки Кюрі, тобто коли всі частинки знаходяться у ферромагнітному стані.
Виявилося, що штучний спиновий лід з ґратами шакті навіть при низьких температурах утворює розупорядковану фазу, яку при цьому можна описати як структуру з топологічним порядком. (Докладніше про топологічний порядок у квантових системах ви можете прочитати в інтерв'ю з Олексієм Рубцовим). Виявилося, що розладнані магнітні моменти в двох- або чотиричасткових елементах можна уявити як заряджені топологічні дефекти, аналогічні вихорам, що розглядаються при топологічних фазових переходах, наприклад в почесних надпровідниках. У кожній комірці вони утворюються строго по одному, формуючи при цьому решітку зі структурою мозаїки доміно - фази з топологічним порядком.
Через топологічний захист цей збуджений стан виявляється дуже стійким і зберігається навіть при значному зниженні температури. Час життя дефектів при цьому досить великий: наприклад, при _ 50 градусах Цельсія за магнітний момент однієї частинки в одній комірці змінюється раз на три секунди, а при зниженні температури до _ 100 градусів Цельсія ця швидкість падає ще на порядок.
Вчені стверджують, що виявлений ними топологічний порядок - це перший випадок спостереження подібного ефекту в повністю класичних системах. До цього подібний тип фаз топологічного впорядкування знаходили тільки в квантових системах.
Решітка шакті - не єдина фаза штучного спинового льоду, для якої характерна досить незвичайна поведінка магнітних моментів. Наприклад, нещодавно фізики виявили, що до повільного розгортання моментів у шаховій решітці може призводити теплова енергія навколишнього середовища, що можна використовувати, наприклад, для створення магнітних моторів, заснованих на перетворенні теплової енергії в механічну.