Магнитная мозаика: как атомы делят роли экспресс
Плетёная корзина из бамбука — не просто предмет обихода, а точная схема расположения атомов в кристалле YMn₆Sn₆. Шесть атомов марганца образуют шестиугольники, которые складываются в узор, напоминающий японскую кагомэ. В такой решётке электроны обычно ведут себя одинаково, как пассажиры в переполненном вагоне метро. Но в этом материале они неожиданно расслаиваются на две группы, словно в одном вагоне одни пассажиры спокойно едут до конечной, а другие толкаются у дверей.
С помощью рентгеновского излучения, которое заставляет электроны перескакивать между энергетическими уровнями, учёные заглянули внутрь атомов марганца. Оказалось, что электроны на орбитах, направленных вдоль связей между атомами марганца, свободно перемещаются по кристаллу, как вода по трубам. А электроны на орбитах, смотрящих в сторону атомов олова, становятся тяжёлыми и малоподвижными — как густой мёд, который едва течёт. Это разделение происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, и держится за счёт особого магнитного взаимодействия внутри атома, которое подавляет переключение электронов между ролями.
Такое разделение ролей объясняет, почему слои атомов марганца в этом кристалле намагничены в одном направлении, хотя обычно соседние слои в подобных структурах противодействуют друг другу. Материал становится природной лабораторией, где можно изучать, как геометрия решётки и внутренние силы атома совместно создают новые квантовые состояния — не похожие ни на изоляторы, ни на обычные металлы.
Узор кагомэ впервые описали японские плетельщики корзин: шестиугольники с треугольными отверстиями. Теперь этот узор повторяется в кристаллах, и электроны в нём ведут себя как шарики в лабиринте — одни катятся свободно, другие застревают в углах.