Как звучит магнитная фрустрация экспресс
Если сжать обычный кусок металла, он нагреется — это знают даже те, кто накачивал велосипедное колесо. Но что будет, если сжать магнит, в котором атомные стрелки отказываются замирать даже при абсолютном нуле? Группа физиков решила проверить это на особых кристаллах — фрустрированных магнитах, где магнитные моменты атомов (крошечные компасы) расположены в треугольной сетке и не могут дружить со всеми соседями сразу.
Они взяли две модели: одну попроще — с жёсткими стрелками вверх-вниз (как в игрушечном компасе), и вторую — где стрелки могут крутиться свободно, но подчиняются квантовым законам. В обеих моделях атомы сидят в узлах треугольной решётки — как шары в бильярдном треугольнике, только каждый шар ещё и магнитик. Сжатие такой решётки меняет расстояния между атомами, а значит, и силу их магнитного общения. Авторов интересовало, как при этом меняется энтропия — мера беспорядка, который царит в системе.
Главным инструментом стал коэффициент Грюнайзена — число, которое показывает, насколько сильно материал меняет размер при нагреве или охлаждении. В обычных твёрдых телах этот коэффициент скромен и предсказуем. Но в треугольных магнитах, когда сжатие подводит систему к точке максимальной фрустрации (той самой, где все соседи одинаково недовольны), коэффициент взлетает до небес. Он становится огромным при низких температурах — словно термометр, который зашкаливает от одного прикосновения. Это универсальный признак того, что в материале прячется огромный запас скрытого беспорядка — остаточная энтропия основного состояния.
В квантовой версии модели с вращающимися стрелками картина оказалась сложнее. При абсолютном нуле там происходят настоящие перестройки — фазовые переходы, меняющие магнитный узор. И коэффициент Грюнайзена чутко отзывается на каждую такую перестройку, работая как детектор границ между разными состояниями. При умеренных же температурах квантовая модель ведёт себя почти как классическая — беспорядок правит бал.
Так тепловое расширение — старый добрый эффект из школьного учебника — превращается в сверхчувствительный щуп для самых запутанных квантовых состояний. Сжал кристалл на микрон — и узнал, в каком настроении пребывают миллиарды атомных магнитиков.
Коэффициент Грюнайзена назван в честь немецкого физика Эдуарда Грюнайзена, который в 1908 году связал тепловое расширение металлов с их теплоёмкостью — задолго до того, как появились квантовые магниты.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетный корабль использует магнитные поля немыслимой сложности — возможно, фрустрированные структуры могли бы стать основой для вычислительных устройств, неотличимых от живого мозга.