Что за «Полулёд-Полупламя»? Физики нашли новую экзотическу фазу материи

Представьте себе картину: в одном и том же крошечном уголке материи одновременно царят и строгий порядок, и полный хаос. Звучит как сюжет для фантастического рассказа, не правда ли? Но именно нечто подобное недавно обнаружили физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в США. Они наткнулись на совершенно новую фазу вещества, которую метко окрестили «полулёд-полупламя».

И это не просто красивая метафора. Речь идёт о поведении электронных спинов — этаких микроскопических магнитиков, присущих каждому электрону. Эти спины могут быть направлены «вверх» или «вниз», создавая общую магнитную картину материала. Так вот, в этой новой фазе часть спинов ведёт себя крайне упорядоченно, словно солдаты на параде (это наш «лёд»), а другая часть пребывает в полном беспорядке, будто толпа на рок-концерте (это, соответственно, «огонь»). И всё это — в одном и том же материале, одновременно!

А что тут такого особенного?

Ну, во-первых, такое состояние вещества раньше никто и никогда не видел. Само по себе открытие новой фазы — это уже событие в мире физики. Но «полулёд-полупламя» интригует не только своей экзотичностью.

Главная фишка — эта фаза позволяет материалу переключаться между состояниями невероятно резко. Представьте: не плавно перетекать из одного состояния в другое, а делать это почти мгновенно, будто щёлкнули выключателем. И что особенно важно, это происходит при вполне достижимой, конечной температуре, а не где-то в условиях абсолютного нуля, близких к космосу. А это уже, знаете ли, намекает на практические перспективы.

Не с неба свалилось: Путь к открытию

Конечно, такие открытия редко случаются вдруг. У этой истории есть предыстория. Исследователи Вэйго Инь и Алексей Цвелик, авторы находки, уже не первый год «копали» в этом направлении. Их интерес начался ещё в 2012 году с изучения довольно сложного магнитного соединения (для любителей химии — Sr3CuIrO6).

Несколько лет спустя, в 2016-м, они вместе с коллегой обнаружили «родственницу» нынешней фазы — состояние «полуплямя, полулёд». Там тоже были упорядоченные и хаотичные спины, но роли были распределены иначе. Казалось бы, вот оно! Но была загвоздка. Теоретические модели, описывающие подобные системы (в частности, одномерная модель Изинга), как бы говорили: «Ребята, таких резких переключений при нормальных температурах быть не должно». Что-то не сходилось. Как выразился сам Цвелик, им «не хватало частей головоломки».

И вот недавно Вэйго Инь, похоже, нащупал недостающий фрагмент. Он показал, что к таким «запрещенным» переходам можно подобраться через очень узкие температурные интервалы. А затем исследователи поняли: у фазы «полупламя, полулёд» есть скрытый «близнец», где роли «горячих» и «холодных» спинов меняются местами. Горячие становятся холодными, а холодные — горячими. Так и родилась фаза «полулёд-полупламя». Бинго!

Зачем нам этот «ледяной огонь»?

Хорошо, физики нашли что-то интересное. А нам-то что с того? Потенциально — много чего.

Во-первых, такое сверхрезкое переключение фаз сопровождается большим изменением энтропии (меры беспорядка). А это свойство — прямой путь к созданию новых, возможно, более эффективных технологий охлаждения. Представьте себе холодильники или системы кондиционирования, работающие на совершенно ином принципе.

Во-вторых, сама возможность переключать материал между двумя чётко различимыми состояниями (лёд/огонь и огонь/лёд) наводит на мысли о хранении информации. Может быть, это основа для будущих элементов квантовой памяти, где разные фазы будут играть роль нулей и единиц? Пока это только предположения, конечно.

Что дальше? Дверь приоткрылась

Сами исследователи полны энтузиазма. Как говорит Вэйго Инь, они планируют изучать этот феномен «огня-льда» в более сложных системах, где играют роль не только спины, но и другие квантовые свойства частиц, их расположение в решётке материала.

По сути, открытие «половины льда, половины огня» — это не просто любопытный казус. Это ключ к более глубокому пониманию того, как устроена материя на самом фундаментальном уровне и как можно управлять её свойствами. А когда учёные начинают лучше понимать и контролировать материю, это почти всегда ведёт к появлению новых технологий, которые меняют нашу жизнь. Иногда самым неожиданным образом.

Так что, кто знает, может быть, этот странный «ледяной огонь» из лаборатории физиков однажды согреет нас или охладит наши дома. Наука полна сюрпризов!