A fost descoperită o nouă fază a materiei, „pe jumătate gheață, pe jumătate foc”

Noua fază nu este literalmente foc și gheață, ci o modalitate de a descrie stările electronilor. Mai exact, o stare exotică a materiei a fost descoperită ascunsă într-o altă stare exotică identificată anterior într-un compus magnetic.

În 2016, fizicienii Weiguo Yin, Christopher Roth și Alexei Tsvelik de la Brookhaven National Laboratory (SUA) au identificat ceea ce au numit o fază „pe jumătate foc, pe jumătate gheață” a spinurilor electronice în Sr₃CuIrO₆, un compus format din stronțiu, cupru, iridiu și oxigen.

• Pentru prima dată, cercetătorii ar fi detectat un obiect masiv în Centura Kuiper
• Creierul are mai multe sisteme de apărare decât am crezut, indică un studiu

Acum, aceștia au descoperit opusul: o fază „pe jumătate gheață, pe jumătate foc”, în care electronii din două structuri diferite își inversează comportamentele, scrie ScienceAlert.

Elementul esențial al acestei descoperiri este un concept numit frustrare, care descrie interacțiunile dintre particulele vecine. Dacă modifici o singură componentă a sistemului, efectele se pot propaga printr-un salt de fază.

În materialul analizat de echipă, spinurile electronilor pe rețeaua de atomi de cupru sunt dezordonate, asemănându-se cu flăcările unui incendiu. În schimb, spinurile atomilor de iridiu sunt înghețate în poziție, având o atracție magnetică puternică.

Frustrarea cuantică și schimbările de fază

Matematic, părea imposibil să se producă o tranziție de fază în acest sistem. Cu toate acestea, echipa a identificat un punct critic de temperatură care inversa complet starea materialului. Această reversibilitate este descoperirea pe care Yin și Tsvelik o căutau – o cheie esențială pentru valorificarea potențialului compusului Sr₃CuIrO₆ în știința informației cuantice și microelectronică.

„Descoperirea unor noi stări cu proprietăți fizice exotice și înțelegerea tranzițiilor dintre aceste stări sunt probleme centrale în fizica materiei condensate și știința materialelor,” spune Yin. „Rezolvarea acestor probleme ar putea conduce la progrese majore în tehnologii precum calculul cuantic și spintronica.”

Materialele magnetice pot avea mai multe forme. Într-un material feromagnetic convențional, cum este fierul, spinurile particulelor sunt toate aliniate în aceeași direcție. Într-un ferrimagnet, cum este Sr₃CuIrO₆, există două tipuri de spinuri, fiecare având un comportament diferit.

Conform studiului echipei din 2024, starea pe jumătate foc, pe jumătate gheață poate fi indusă de un câmp magnetic extern. În această stare, spinurile de cupru devin complet dezordonate, în timp ce spinurile de iridiu se aliniază perfect, ca niște soldați în poziție de drepți.

Această fază este interesantă, dar nu extrem de utilă de una singură.

Ce face acest material special?

„Chiar și după ani de cercetare, nu știam cum să utilizăm această stare,” explică Tsvelik. „Un model matematic bine cunoscut de o sută de ani, modelul unidimensional, sugerează că această fază nu ar trebui să treacă printr-o tranziție de fază la temperaturi finite. Ne lipseau piese din puzzle.”

Aceste piese lipsă au fost găsite acum. Cercetătorii au descoperit că într-un interval foarte îngust de temperatură, apare o stare complementară – faza pe jumătate gheață, pe jumătate foc. În această fază, spinurile de cupru se ordonează, iar spinurile de iridiu devin haotice.

Această descoperire nu doar că deschide noi direcții de cercetare asupra fazelor ascunse și a tranzițiilor acestora, dar ar putea permite și controlul precis al schimbărilor de fază. Acest control ar putea duce la aplicații în domeniul cuantic, deschizând noi posibilități tehnologice.

Însă cercetătorii spun că acesta este doar începutul.

Cercetarea a fost publicată în Physical Review Letters.

Vă recomandăm să mai citiți și:

NASA urmărește cu atenție „o adâncitură uriașă” în câmpul magnetic al Pământului

Continentele scufundate ale Pământului ar putea să dezechilibreze câmpul magnetic

Anomalie misterioasă în câmpul magnetic al Pământului

China a stabilit un nou record mondial de câmp magnetic, de peste 800.000 de ori mai puternic decât cel al Pământului