Представьте лестницу, перекладины которой — крошечные магнитики. Если соседние магнитики ориентированы противоположно (антипараллельно), лестница находится в «спокойном» состоянии. Но если заставить их выстроиться в одном направлении, вся конструкция намагнитится и станет «упрямой» — возникнет ферромагнитный порядок.

Учёные сконструировали такую лестницу из атомов германия — классического полупроводника, широко применяемого в транзисторах. Каждый атом здесь действует как элементарный магнит, а обменные взаимодействия между ними можно настраивать, подобно натяжению струн музыкального инструмента. Изменяя силу связей вдоль перекладин и вдоль боковых сторон лестницы, физики наблюдали квантовые фазовые переходы: от парных «спокойных» антиферромагнитных конфигураций к наклонным (спиральным) структурам и, наконец, к полностью ферромагнитному упорядочению, когда все спины направлены в одну сторону.

Ключевое достижение: учёные смогли измерить не только парные корреляции спинов, но и взаимодействия целых четвёрок атомов — как они коллективно влияют друг на друга. Это подобно тому, как если бы мы могли подслушать разговор сразу четырёх человек, а не только двух. Для обычных материалов такие многочастичные измерения ранее были технически невозможны из-за сложности выделения сигнала на фоне шума.

Теперь у физиков есть своего рода «конструктор» для квантового магнетизма. Можно собирать лестницы разной длины, варьировать обменные связи и наблюдать, как рождается магнитный порядок. Это шаг к созданию новых материалов с заданными свойствами — например, сверхпроводников, работающих при комнатной температуре.