Исследовательская группа из США использовала массив из магнитных стержней, смонтированных на индивидуальных подставках, для изучения магнитного взаимодействия между атомными спинами в твердых телах. Ученые проанализировали отклик магнитов на два типа возмущений магнитного поля и обнаружили, что описанная модель работает, как так называемый «спиновый лед», несмотря на существенный вклад классических явлений, в частности, трения.

Научная группа считает, что предложенная ими модель позволит воплотить в жизнь широкий круг экспериментов со «спиновым льдом». Эти эксперименты, в свою очередь, могут быть важны для будущего применения этих веществ в магнитных запоминающих устройствах.

«Спиновый лед» представляет собой класс материалов, в которых магнитные моменты (спины) атомов взаимодействуют друг с другом. Исследователи надеются использовать это взаимодействие для применения подобных веществ в магнитных устройствах хранения информации.

В структуре «спинового льда» атомы образуют тетраэдры. Отдельные атомные спины в «спиновом льде» можно представить себе, как стрелки, направленный в центр или от центра этого тетраэдра. Соседние спины «предпочитают» противоположные направления, но в тетраэдрической структуре не существует возможности удовлетворить все подобные «пожелания». Таким образом,

в каждом тетраэдре будет существовать два соседних атома, спины которых будут направлены в одну сторону. Различные способы организации спинов в этой структуре носят название «правил спинового льда».

Для исследования поведения «спинового льда» ученые используют масштабные модели, где отдельные спины представлены более крупными магнитными доменами, содержащими множество отдельных атомов. Эти домены, размеры которых порядка 100 нм, организуются не в трехмерные тетраэдры, а в двумерные гексагональные структуры, в которых в каждой вершине «встречается» только три спина, при этом, согласно правилам спинового льда, либо два спина направлены к вершине, а один – от нее, либо, наоборот, два – от вершины, а один – к ней. В рамках этой модели исследователи измеряли локальные магнитные поля, а также оценивали воздействие на систему внешних полей. Однако процессы в этой системе происходили слишком быстро, чтобы можно было зафиксировать переходные стадии.

Для решения этой проблемы группа ученых из Harvard University (США) предложила макроскопическую модель спинового льда. Для этого они построили двумерную сеть размером один квадратный метр из магнитных стержней (длина каждого магнита – 2 см). Каждый из таких стержней может вращаться вокруг вертикальной оси, благодаря независимому подвесу. Стоит отметить, что подобная система была предложена ранее другой научной группой, но в той работе ученые не стали исследовать ее в движении, соответственно, получили результаты, далекие от модели «спинового льда».

Американские ученые, наоборот, подошли к эксперименту именно с точки зрения динамики. Для начала они приложили к системе сильное вертикальное магнитное поле (для выравнивания всех стержней по вертикали). Когда поле было выключено, стержни пришли в движение, при этом колебания продолжались порядка 2 секунд. После этого стержни стабилизировались в классической структуре спинового льда. Ученые проанализировали видеозапись эксперимента, оценивая степень выравнивания отдельных стержней друг относительно друга с течением времени. Они обнаружили, что

раннее быстрое движение было вызвано сильным взаимодействием между ними, а время, необходимое для достижения равновесия, характеризовалось трением в системе (в шарнирах, на которых закреплены отдельные стержни).

Оценки показали, что

модель полностью соответствует условиям «спинового льда». Как считают ученые, подобная макроскопическая модель открывает новые возможности для исследования этих структур, поскольку теперь состояние магнитных систем можно наблюдать в режиме реального времени.

Подробно результаты работы ученых опубликованы в журнале Physical Review Letters.