В некоторых кристаллах электроны не размазаны равномерно, а выстраиваются в строгую шахматную доску: на одной клетке электронов больше, на соседней меньше. Такой узор называют зарядовым порядком, и долгое время его считали чем-то застывшим, вроде рисунка на морозном стекле. Но недавно выяснилось, что этот узор можно перевернуть, как магнитный порядок переворачивают импульсом тока. Оставалось непонятным, каким образом электрическое поле заставляет электронную шахматную доску сменить цвет всех клеток разом.
Чтобы разобраться, физики свели сложную картину к простой модели. Каждый узел кристаллической решётки может быть либо пустым, либо занятым сразу двумя электронами. Эти два состояния обозначили как стрелку, направленную вверх или вниз, и назвали её псевдоспином. В такой записи зарядовый порядок выглядит как антиферромагнетик: стрелки на соседних узлах смотрят в противоположные стороны. А если стрелки начинают колебаться, их коллективное движение описывается теми же уравнениями, что и качание магнитных стрелок в антиферромагнетике.
Дальше в игру вступает электрическое поле. Оно действует на псевдоспины как ступенчатое поле, которое тянет стрелки на одной подрешётке в одну сторону, а на другой — в другую. Пока поле слабое, стрелки лишь слегка наклоняются и возвращаются обратно. Но если поле превышает порог, коллективное колебание теряет устойчивость: одна из мод начинает расти сама собой, и весь узор опрокидывается. Расчёты для типичных параметров дают пороговое поле около миллиона вольт на сантиметр, а частота колебаний — около трёх с половиной терагерц, то есть триллионов качаний в секунду.
Численное моделирование подтверждает картину. Когда поле чуть выше порога, продольная компонента псевдоспина осциллирует и в итоге переходит от положительного значения к отрицательному, то есть зарядовый порядок меняет полярность. Поперечная компонента сначала растёт из-за неустойчивости, а затем затухает. Если добавить небольшое однородное поле, например из-за отклонения от половинного заполнения, траектория приобретает дополнительное дрожание, похожее на нутацию волчка.
Так зарядовый порядок перестаёт быть статичной картинкой и превращается в управляемую динамическую систему. Раньше не было микроскопической теории, которая связывала бы электрическое поле с переключением зарядового узора, в отличие от магнитного порядка, где такая теория давно развита. Теперь эта связь установлена: зарядовый порядок можно описывать как псевдоспиновый антиферромагнетик, а электрическое поле — как рукоятку, которая переворачивает всю шахматную доску. Это открывает путь к устройствам, где информация хранится и обрабатывается переключением зарядового порядка, подобно тому как сегодня это делают с магнитными битами.
Частота коллективных псевдоспиновых возбуждений зарядового порядка лежит в терагерцовом диапазоне, то есть порядка триллиона колебаний в секунду. Это в миллион раз быстрее, чем типичная частота кадров в кино.