At finde orden i uorden demonstrerer en ny tilstand

Fysikere har identificeret en ny tilstand af materie, hvis strukturelle orden fungerer efter regler mere i overensstemmelse med kvantemekanik end standard termodynamisk teori. I et klassisk materiale kaldet kunstig spin -is, som i visse faser forekommer uorden, materialet er faktisk bestilt, men i en "topologisk" form.

"Vores forskning viser for første gang, at klassiske systemer såsom kunstig spin -is kan designes til at demonstrere topologiske ordnede faser, som tidligere kun er fundet under kvanteforhold, "sagde Los Alamos National Laboratory fysiker Cristiano Nisoli, leder af den teoretiske gruppe, der samarbejdede med en eksperimentel gruppe ved University of Illinois i Urbana-Champaign, ledet af Peter Schiffer (nu ved Yale University).

Fysikere klassificerer generelt stofets faser som ordnet, såsom krystal, og uorden, såsom gasser, og de gør det på grundlag af symmetrien i en sådan rækkefølge, Sagde Nisoli.

"Demonstrationen af, at disse topologiske effekter kan designes til et kunstigt spin -is -system, åbner døren for en lang række mulige nye undersøgelser, "Sagde Schiffer.

Specialiseret materiale opretholdt forvirrende energiniveauer i eksperimenter

I den nye forskning, holdet udforskede en bestemt kunstig spin -isgeometri, kaldet Shakti spin ice. Selvom disse materialer er teoretisk designet, denne gang, opdagelsen af ​​dens eksotiske, egenskaber uden for ligevægten gik fra eksperimenter til teori.

Udfører fotoemission elektronmikroskopi karakterisering ved U.S. Department of Energy's Advanced Light Source på Lawrence Berkeley National Laboratory, Schifers team afslørede noget forvirrende:I modsætning til andre kunstige spin -is, som kunne nå deres lavenergitilstand, da temperaturen blev reduceret i på hinanden følgende slukninger, Shakti -spin -is forblev stædigt på omtrent det samme energiniveau. "Systemet sidder fast på en måde, så det ikke kan omarrangere sig selv, selvom en stor omlægning ville gøre det muligt at falde til en lavere energitilstand, "Sagde Schiffer.

Klart, noget blev bevaret, men intet dukkede op som en oplagt kandidat i et materiale, der kunstigt blev konstrueret til at give et uordentligt spin -billede.

Backer afsted for at se det store billede

Bevægelse væk fra et spin -billede og koncentrere sig om en fremvoksende beskrivelse af systemets ophidselser, Nisoli beskrev en lavenergitilstand, der præcist kunne kortlægges til en berømt teoretisk model, "dimer cover model, "hvis topologiske egenskaber var blevet anerkendt før. Derefter, data fra forsøget bekræftede topologisk ladningskonservering og dermed en lang levetid for excitationerne.

"Jeg synes, det er mest spændende, fordi teoretiske rammer normalt går fra klassisk fysik til kvantefysik. Ikke så med topologisk orden, "Sagde Nisoli.

Samarbejdssucces

Fysiske eksperimenter blev udført af Schiffer-teamet ved University of Illinois i Urbana-Champaign og blev finansieret af U.S. Department of Energy's Office of Science. Materialets kinetik blev undersøgt i realtid og i virkeligt rum ved den avancerede lyskilde.