Графен — двумерный кристалл углерода толщиной в один атом — способен менять свои магнитные свойства подобно тому, как вода меняет агрегатное состояние: то течёт жидкостью, то застывает льдом. В новой работе физики впервые исследовали внутреннюю динамику этого процесса с помощью датчика размером с кончик иглы. Датчик регистрирует магнитное поле на расстоянии, подобно тому как палец ощущает тепло батареи, не прикасаясь к ней.

Выяснилось, что смена магнитных состояний в графене — не плавное скольжение, а резкий фазовый переход первого рода. Это аналогично тому, как вода не постепенно остывает, а мгновенно кристаллизуется в лёд при достижении точки замерзания. При этом на границе раздела двух состояний в материале возникают мерцающие магнитные пятна — домены, напоминающие островки льда в ещё жидкой воде. Это указывает на сосуществование двух фаз, конкурирующих за пространство.

Такие скачкообразные переходы имеют практическое значение: если научиться управлять ими, можно создавать переключатели для квантовых компьютеров. Магнитное состояние графена работает как выключатель света: щелчок — и ток пошёл. Только вместо электрического тока здесь используется спин электрона — внутренний «волчок» частицы, её квантовый магнитный момент.

Работа впервые демонстрирует, что топологические переходы в графене носят скачкообразный характер, аналогичный смене агрегатных состояний воды. Это фундаментально меняет понимание природы квантовых фазовых переходов и открывает перспективы для создания новых электронных устройств.