Anty-lód spinowy: fizycy odwrócili regułę rządzącą lodem

Fizycy zbudowali układ nazwany anty-lodem spinowym, w którym cząstki się przyciągają, a nie odpychają, przez co łamana jest tzw. reguła lodu. Wyniki, opisane w „Nature Communications”, pokazują, że frustracja geometryczna może się pojawić także wtedy, gdy układ dąży do maksymalizacji lokalnych ładunków, a nie do ich minimalizacji.

Reguła lodu i frustracja geometryczna

W lodzie wodnym każdy atom tlenu ma przy sobie dwa atomy wodoru blisko i dwa dalej. To właśnie reguła lodu. Spełnia ją bardzo wiele różnych układów, więc atomy wodoru nie tworzą powtarzalnego wzoru. Taki bałagan wynika z frustracji geometrycznej: konkurujące oddziaływania nie mogą być zaspokojone jednocześnie, a układ ma do wyboru mnóstwo równie dobrych kompromisów.

Naukowcy odtwarzają to zjawisko w sztucznych lodach spinowych, zbudowanych z małych magnesów albo mikroskopijnych cząstek zwanych koloidami. W lodach koloidowych cząstki leżą w rowkach ułożonych w sieć, każda bliżej jednego z końców. Odpychają się, więc rozkładają równomiernie, a różnica między liczbą cząstek bliskich i dalekich w każdym węźle sieci (jego ładunek topologiczny) pozostaje jak najmniejsza.

Co się zmienia, gdy cząstki się przyciągają

Dotąd badano głównie cząstki odpychające się. Tym razem zespół sprawdził odwrotną sytuację. Według współautora badania Pietra Tierno z Uniwersytetu w Barcelonie w anty-lodzie spinowym układ dąży do tego, by lokalne ładunki topologiczne były jak największe. Na sieci kwadratowej oznacza to węzły z czterema cząstkami blisko (+4) albo czterema daleko (−4), czyli konfiguracje zakazane przez regułę lodu.

Użyto cząstek o średnicy 2,8 mikrometra, zrobionych z polistyrenu z ziarnami tlenku żelaza, które stają się magnetyczne w polu zewnętrznym. Przyciąganie wymagało pewnego triku. W polu skierowanym wzdłuż powierzchni pary ustawione „głowa do ogona” przyciągają się, a ustawione obok siebie odpychają. Dlatego zespół zastosował szybko obracające się pole w płaszczyźnie powierzchni. Przyciąganie jest wtedy około dwa razy silniejsze niż odpychanie, więc wypadkowo cząstki przyciągają się w każdym kierunku. Pole obracało się raz na sekundę, bo przy większych prędkościach cząstki zaczynały wirować w rowkach.

Szachownica ładunków i układ, który nie daje się uporządkować

Symulacje dla sieci kwadratowej i plastra miodu pokazały, że wraz ze wzrostem przyciągania węzły zrównoważone znikają. Zastępuje je wzór podobny do szachownicy, w którym naprzemiennie występują węzły z samymi cząstkami bliskimi i samymi dalekimi. Tierno nazywa to krystalizacją ładunku. Pojedyncze uporządkowane układy znaleziono też dla sieci trójkątnej i kagome.

Inaczej zachowała się sieć pentaheptytowa, złożona z pętli pięcio- i siedmiokątnych. Zarówno w eksperymencie, jak i w symulacjach część węzłów o niskim ładunku zawsze pozostawała, nawet przy najsilniejszym przyciąganiu: mniej więcej co czwarty. Ładunki nie mogą się tam idealnie przeplatać wokół pętli o nieparzystej liczbie boków, więc dwa sąsiednie węzły zawsze mają ten sam znak. Powstaje wiele niemal równoważnych układów zamiast jednego uporządkowanego, czyli frustracja. Wyniki doświadczeń zgadzały się z symulacjami po przeskalowaniu natężeń pola.

Co to oznacza w praktyce

To badanie podstawowe i nie ma jeszcze zastosowania, które czytelnik mógłby zauważyć na co dzień. Jego wartość polega na lepszym rozumieniu, jak z reguł lokalnych i kształtu sieci wynika uporządkowanie albo chaos. W artykule nie ma informacji, by sprawa dotyczyła szczególnie Polski lub unijnych regulacji, a to czysta nauka, publikowana w międzynarodowym czasopiśmie.

Autorzy widzą jednak ciekawy kierunek dalszych prac. Oddziaływanie między cząstkami wyznacza pole magnetyczne, więc można je w zasadzie przełączać. Dodanie składowej pionowej sprawi, że pole zakreśli stożek. Zależnie od jego kąta cząstki będą się średnio przyciągać lub odpychać, a przejście następuje przy około 54,7 stopnia, czyli tzw. kącie magicznym. Tierno podkreśla, że pozwoliłoby to programować układ jako zwykły lód koloidowy albo anty-lód. Jego zdaniem pomogłoby to zrozumieć, jak frustracja powstaje i znika, a nawet ją programować, także w układach nanomagnetycznych, nadprzewodzących i metamateriałach.

Źródło: Phys.org – „Breaking the ice: Scientists use attracting particles to form an anti-spin ice”