Группа исследователей из Массачусетского технологического института (США) и Торонтского университета (Канада) экспериментально зарегистрировала фазовый переход в ферромагнитное состояние в газе из ультрахолодных атомов лития.

Ферромагнитные материалы характеризуются тем, что при понижении температуры до определенного значения (точки Кюри) они демонстрируют самопроизвольную намагниченность: магнитные моменты составляющих их частиц ориентируются параллельно друг другу. Вопрос о том, могут ли обладать подобными свойствами жидкости или газы, заинтересовал физиков еще несколько десятилетий назад.

Авторы рассматриваемой работы выбрали в качестве объекта исследования газ из атомов ⁶Li (фермионов, частиц с полуцелым значением спина), который соответствует теоретической модели ферми-газа.

Во всех естественных жидких или газообразных фермионных системах [к примеру, жидком ³Нe] взаимодействие между составляющими их частицами оказывается слишком слабым, и перейти в ферромагнитное состояние они не могут, — говорит один из авторов работы Чо Гю Бун (Gyu-Boong Jo). — А в случае с атомами лития мы можем изменять силу взаимодействия практически произвольно, варьируя индукцию внешнего магнитного поля».

В своем эксперименте ученые удерживали облако атомов лития, охлажденных до 150•10–9 К, с помощью лазерного излучения ИК-диапазона. При искусственном увеличении сил взаимного отталкивания атомов (повышении индукции внешнего поля с 590 до 834 Гс) авторы отметили несколько признаков перехода в ферромагнитное состояние: к примеру, облако сначала увеличилось в размерах, а затем резко сжалось; когда атомы были выпущены из «ловушки», диаметр облака стал увеличиваться быстрее, чем в обычных условиях. Эти и некоторые другие наблюдения полностью соответствуют теоретической модели фазового перехода в новое состояние.

Фазовый переход в ферромагнитное состояние для вещества с кристаллической структурой и газа (иллюстрация Чо Гю Буна)

Ученые отмечают, однако, что в рамках нового исследования им не удалось зарегистрировать ферромагнетизм непосредственно, только косвенно. В рамках дальнейших исследований ученые надеются измерить намагниченность непосредственно.

Полная версия отчета ученых опубликована в журнале Science; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.