Впервые международной команде ученых удалось создать искусственный спиновый лед в состоянии термического равновесия, что позволило им рассмотреть точную конфигурацию этого наноматериала.

Ученые из Лидского Университета, Брукхевенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Эплтонской лаборатории Резерфорда Британского совета по науке и технике заявили, что это открытие позволит им более детально изучить научное явление, известное как «магнитные монополи», которые, как предполагается, существуют в подобных структурах. Данные исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Искусственный спиновый лед создается при помощи нанотехнологии и состоит из миллионов крошечных магнитов, каждый из которых в тысячи раз меньше песчинки. Магниты существуют в решетке, также известной как «нарушенная структура» («frustrated» structure). Как и у обычного льда, геометрия этой структуры означает, что все взаимодействия между атомами не могут быть выполнены одновременно.

«Это похоже на попытку чередования мест для мужчин и женщин за круглым столом, притом, что общее число мест – нечетное. Сколько бы вы не пересаживали их, вам это не удастся», – сказал соавтор статьи доктор Кристофер Мэрроуз (Christopher Marrows) из Лидского Университета.

В спиновом льде магнитные диполи с северным и южным полюсом выстроены в четырехгранную структуру (тетраэдр). Каждый диполь имеет магнитный момент, напоминающий протоны в молекулах H2O водного льда, которые притягивают и отталкивают друг друга. Следовательно, диполи самостоятельно принимают самое энергоэкономичное положение, при котором два диполя направлены внутрь и наружу.

По словам доктора Мэрроуза, в последнее время спиновые льды вызвали много волнений, поскольку стало понятно, что они являются сферой деятельности физиков, изучающих возбуждения магнитных монополей и физику последовательностей Дирака в твердом состоянии. Однако до сих пор все образцы этих искусственных структур, созданных в лабораторных условиях, были «сжатыми».

«Что сделали мы – нашли способ «разжать» спиновый лед в упорядоченное состояние покоя, известное как термическое равновесие. Потом мы можем заморозить образец до нынешнего состояния и с помощью микроскопа увидеть, в какие стороны указывают все маленькие магниты. Это равноценно возможности сфотографировать каждый атом в комнате, поскольку позволяет нам внимательно изучить сформировавшуюся структуру».

Джейсон Морган (Jason Morgan), аспирант Лидского Университета и ведущий автор статьи, оказался первым, кто пронаблюдал образец в равновесии. «До этого еще не удавалось получить образец, самоорганизующийся таким образом, какое-то время это вообще считалось невозможным. Но, когда мы посмотрели на образец с помощью магнитной силовой микроскопии и увидели эти прекрасные периодические структуры, сразу догадались, что нам удалось добиться упорядоченного основного состояния".

Исследователям также удалось пронаблюдать отдельные возбуждения из этого основного состояния внутри образца, что, по их словам, является доказательством динамики монополей внутри решетки.

Магнитные монополи – магниты, у которых есть только северный или южный полюс – это бывшие гипотетические частицы, которые, как считается, существуют в спиновом льде. Некоторые ученые надеются, что более четкое понимание этих монополей поможет продвинуться новой технологии – «магнетричеству» – магнитному эквиваленту электричества.

Соавтор статьи Шон Лэнгридж (Sean Langridge), являющийся приглашенным профессором Лидского Университета и членом Совета по научно-техническому оборудованию Великобритании, добавил, что

«в системах спинового льда естественного происхождения это основное состояние предсказывалось, но экспериментально не наблюдалось. Теперь, когда это обнаружили в искусственной системе, следует в динамике пронаблюдать возбуждения из этого основного состояния. Сделать это можно только при помощи современных литографических техник, которые позволят нам лучше разобраться в этих замечательных системах».

Команда из Брукхевена создала образцы искусственного спинового льда при помощи новейшего нанотехнологического инструмента, который называется «электронно-лучевое пишущее устройство» (electron beam writer). Подобный прибор за 4 миллиона фунтов стерлингов вскоре появится и в Лидском Университете. Единственный экземпляр в Великобритании, он позволит продолжить сотрудничество с исследователями из Брукхевена.