Frustracja magnetyczna w materiałach kwantowych, czyli dwa rodzaje nieuporządkowania w sieci krystalicznej
Zespół kierowany przez Stephena Wilsona przyjrzał się rzadkiej klasie związków, w których występują jednocześnie dwa odmienne mechanizmy frustracji. Pierwszy z nich, zwany geometrycznym, pojawia się, gdy momenty magnetyczne (można je sobie wyobrażać jako mikroskopijne magnesy) w sieci krystalicznej nie są w stanie osiągnąć stabilnego układu ze względu na swoją geometrię. W antyferromagnetyku sąsiednie magnesy chcą ustawić się przeciwnie do siebie. W prostym układzie kwadratowym to działa, ale już w trójkątnym pojawia się problem, ponieważ trzeci magnes nie może być jednocześnie przeciwny do dwóch pozostałych. Układ wpada w ciągłe wahanie, nie mogąc osiągnąć stanu o najniższej energii. Drugi rodzaj wynika z właściwości samych elektronów i nazywany jest frustracją wiązań. Chodzi o sytuację, w której jony w sieci krystalicznej mają trudności z utworzeniem stabilnych par (dimerów) poprzez wiązania chemiczne, szczególnie w strukturach o symetrii trójkątnej lub plastra miodu. Powstaje wtedy konkurencja między różnymi możliwymi konfiguracjami.
Czytaj też: Fizycy odkryli lewitujące kryształy czasu. Możesz wziąć je w ręce i wykorzystać na wiele sposobów
Wilson i jego współpracownicy pracowali na materiałach zbudowanych z pierwiastków z grupy lantanowców, które tworzą trójkątne sieci krystaliczne. Przez ostatnie lata badacze opanowali sztukę wywoływania w nich stanów sfrustrowanych magnetycznie. Teraz poszli o krok dalej, osadzając te stany w sieci, która sama wykazuje frustrację wiązań. To pozwoliło na osiągnięcie niezwykłego efektu – możliwości wpływania na jeden sfrustrowany system poprzez modyfikację drugiego.
To sposób na nadanie rzeczom funkcjonalności lub reakcji na bodźce, na które normalnie by nie reagowały. W zasadzie można zaprojektować duże odpowiedzi ferroiczne. Możesz przyłożyć odrobinę naprężenia, co wywołuje porządek magnetyczny, albo przyłożyć słabe pole magnetyczne i wywołać zmiany w strukturze – wyjaśnia Wilson
W praktyce oznacza to, że delikatne odkształcenie mechaniczne materiału może radykalnie zmienić jego właściwości magnetyczne. Działa to również w drugą stronę, wszak przyłożenie słabego pola magnetycznego może indukować zmiany w strukturze krystalicznej. To rodzaj sprzężenia zwrotnego, który otwiera nowe ścieżki projektowania materiałów o kontrolowanych i przełączalnych cechach.
Splątanie kwantowe na wyciągnięcie ręki
Dlaczego takie manipulacje są ważne? Nieuporządkowane stany kwantowe mogą być środowiskiem dla długozasięgowego splątania spinów, które jest kluczowym zasobem informatyki kwantowej. Gdyby udało się tymi stanami sterować za pomocą prostego naprężenia w sfrustrowanej sieci, byłaby to prawdziwa rewolucja. Wilson wprowadza koncepcję „przeplatanych porządków”, gdzie bliskie sąsiedztwo dwóch sfrustrowanych systemów generuje nowe typy uporządkowania.
Czytaj też: Kiedy fizyka spotyka patelnie. Takiej rewolucji byle naczynia w kuchni nikt się nie spodziewał
To fundamentalna nauka mająca na celu odpowiedź na podstawowe pytanie. Ma zbadać, jaka fizyka może być możliwa dla przyszłych urządzeń – zauważa główny autor badań
Oczywiście to wciąż badania podstawowe, od których dość daleko do praktycznych zastosowań. Ale bez wątpienia członkowie zespołu wylali solidny fundament pod przyszłe technologie. Komputery kwantowe, zaawansowane czujniki czy nowe typy pamięci będą wymagały materiałów o precyzyjnie dostrojonych właściwościach. Praca zespołu z Santa Barbara pokazuje, że frustracja, czyli zjawisko uznawane za utrapienie, może się okazać nieoczekiwanym sprzymierzeńcem w tej drodze.