Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В магнетике тоже есть волны — только колеблются не молекулы воды, а направления магнитных стрелок атомов. Такие волны называют магнонами, и по их поведению можно многое понять о невидимых силах между атомами.
В новом эксперименте пучок нейтронов пропустили через кристаллы Na₂IrO₃ — соединения натрия, иридия и кислорода. Нейтроны, как микроскопические мячики, отскакивали от атомов и теряли энергию, возбуждая магноны. Оказалось, что у этих волн есть минимальная энергия — щель в 1,7(1) мэВ. Это как если бы круги на воде не могли быть меньше определённого размера. Такая щель возникает из-за зигзагообразного порядка магнитных моментов: атомы выстраиваются не ровно, а змейкой, и волне нужно преодолеть этот узор.
Эти материалы интересуют физиков потому, что в них может реализоваться так называемая физика Китаева — особый тип магнитного состояния, похожий на квантовую жидкость из спинов. В такой жидкости магнитные стрелки атомов не замирают даже при абсолютном нуле, а постоянно колеблются. Na₂IrO₃ и α-RuCl₃ — два кандидата на эту роль, но их поведение различается из-за знака взаимодействий между соседними атомами. Новые данные помогают уточнить модель: в Na₂IrO₃ обмен между ближайшими соседями антиферромагнитный, а в α-RuCl₃ — ферромагнитный. Это как разница между двумя пружинами: одна толкает соседние стрелки в противоположные стороны, другая — в одну.
Понимание таких материалов может привести к созданию новых квантовых технологий, где информация хранится и обрабатывается с помощью спинов, а не зарядов. Пока это фундаментальные исследования, но каждый точный эксперимент приближает нас к управлению магнитными состояниями на атомном уровне.
Энергия 1,7 мэВ примерно в сто миллионов раз меньше, чем энергия фотона видимого света. Чтобы нагреть один грамм воды на один градус, потребовалось бы около 10²⁰ таких магнонов.