Физики обнаружили «многослойные блины жидкого магнетизма», которые могут объяснять странное электронное поведение некоторых слоистых спиральных магнитов.
Материалы, участвующие в исследовании, являются магнитными при низких температурах и становятся немагнитными при оттаивании. Физик-экспериментатор Макарий Танатар из Национальной лаборатории Эймса при Университете штата Айова заметил загадочное электронное поведение в слоистых гелимагнитных кристаллах и привлек к этой тайне внимание физика-теоретика Райса Андрея Невидомского, который работал с Танатаром и бывшим аспирантом Райса Мэтью Батчером над созданием вычислительной модели, имитирующей квантовые состояния атомов и электронов в гелиомагнитных кристаллах. слоистые материалы.
Магнитные материалы подвергаются процессу «оттаивания» по мере того, как они нагреваются и становятся немагнитными. Исследователи провели тысячи компьютерных симуляций этого перехода в гелимагнетиках методом Монте-Карло и наблюдали, как магнитные диполи атомов внутри материала упорядочиваются во время оттаивания. Их результаты были опубликованы в недавнем исследовании в журнале Physical Review Letters.
На субмикроскопическом уровне исследуемые материалы состоят из тысяч двумерных кристаллов, уложенных один на другой, как страницы в блокноте. В каждом кристаллическом слое атомы расположены в виде решеток, и физики смоделировали квантовые взаимодействия как внутри, так и между слоями.
«Мы привыкли думать, что если взять твердое вещество, например глыбу льда, и нагреть его, то в конечном итоге оно превратится в жидкость, а при более высокой температуре оно испарится и превратится в газ», — сказал Невидомский, доцент кафедры физики и астрономии и член Квантовая инициатива Райса. «Аналогичную аналогию можно провести и с магнитными материалами, за исключением того, что ничто не испаряется в истинном смысле этого слова».
«Кристалл все еще цел», — сказал он. «Но если вы посмотрите на расположение маленьких магнитных диполей, которые похожи на стрелки компаса, они начинаются в коррелированном расположении, что означает, что если вы знаете, в какую сторону указывает один из них, вы можете определить, в какую сторону указывает любой из них, независимо от того, как далеко он находится в решетке. Это и есть магнитное состояние — твердое тело в нашей аналогии. По мере нагревания диполи в конечном итоге станут полностью независимыми или случайными по отношению друг к другу. Это известно как парамагнетик, и он аналогичен газу.»
Невидомский сказал, что физики обычно думают о материалах, либо имеющих магнитный порядок, либо лишенных его.
«Лучшей аналогией с классической точки зрения был бы кусок сухого льда», — сказал он. «Он как бы забывает о жидкой фазе и переходит прямо из льда в газ. Именно так обычно описываются магнитные переходы в учебниках. Нас учат, что вы начинаете с чего-то коррелированного, скажем, с ферромагнетика, и в какой-то момент параметр порядка исчезает, и в итоге вы получаете парамагнетик.»
Танатар, научный сотрудник лаборатории низкотемпературной сверхпроводимости и магнетизма Эймса, обнаружил признаки того, что переход от магнитного порядка к беспорядку в спиральных магнитах был отмечен переходной фазой, в которой электронные свойства, такие как сопротивление, различались в зависимости от направления. Например, они могли бы отличаться, если бы измерялись горизонтально, из стороны в сторону, а не вертикально сверху вниз. Такое направленное поведение, которое физики называют анизотропией, является отличительной чертой многих квантовых материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники.
«Эти слоистые материалы выглядят по-разному в вертикальном и горизонтальном направлениях», — сказал Невидомский. — Это и есть анизотропия. Интуиция Макария заключалась в том, что анизотропия влияет на то, как магнетизм плавится в материале, и наше моделирование продемонстрировало, что это правда, и показало, почему это происходит».
Модель показала, что материал проходит через промежуточную фазу при переходе от магнитного порядка к беспорядку. В этой фазе дипольные взаимодействия внутри слоев намного сильнее, чем между ними. Более того, корреляции между диполями напоминали корреляции жидкости, а не твердого тела. В результате получаются «сплющенные лужицы магнитных жидкостей, которые складываются друг на друга, как блины», — сказал Невидомский. В каждом блинчике, похожем на лужицу, диполи направлены примерно в одном направлении, но это ощущение направления различается у соседних блинчиков.
«Это скопление атомов, все диполи которых направлены в одном направлении», — сказал Невидомский. «Но тогда, если вы подниметесь на один уровень выше, все они будут указывать в разном случайном направлении».
Расположение атомов в материале «расстраивает» диполи и не позволяет им выровняться в едином направлении по всему материалу. Вместо этого диполи в слоях смещаются, слегка поворачиваясь в ответ на изменения в соседних блинах.
«Из-за фрустрации стрелкам, этим магнитным диполям, трудно решить, куда они хотят указывать, под тем или иным углом», — сказал Невидомский. «И чтобы облегчить это разочарование, они имеют тенденцию вращаться и смещаться в каждом слое».
Танатар сказал: «Идея в том, что у вас есть две конкурирующие магнитные фазы. Они борются друг с другом, и в результате вы получаете температуру перехода для этих фаз, которая ниже, чем была бы без конкуренции. И в этом сценарии конкуренции явления, которые приводят к магнитному порядку, отличаются от явлений, когда у вас нет этой конкуренции».
Танатар и Невидомский сказали, что, хотя непосредственного применения этому открытию нет, оно, тем не менее, может дать намеки на все еще необъяснимую физику других анизотропных материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники.
Несмотря на название, высокотемпературная сверхпроводимость возникает при очень низких температурах. Одна теория предполагает, что материалы могут становиться сверхпроводниками, когда они охлаждаются вблизи квантовой критической точки, температуры, достаточной для подавления дальнего магнитного порядка и возникновения эффектов, вызванных сильными квантовыми флуктуациями. Например, было показано, что несколько магнитных «исходных» материалов обладают сверхпроводимостью, близкой к квантовой критической точке, где магнетизм исчезает.
«Как только вы подавите основной эффект, дальнодействующее магнитное упорядочение, вы можете уступить место более слабым эффектам, таким как сверхпроводимость», — сказал Танатар. «Это одна из ведущих теорий нетрадиционной сверхпроводимости. В нашем исследовании мы показываем, что вы можете делать то же самое по-другому, с разочарованием или конкурирующими взаимодействиями».
Provided by Rice University