Два танцора на одной сцене: один тянет партнёра в одну сторону, другой — в противоположную. В кристалле Cu2(OH)3Br, известном как боталлакит, атомы меди выстраиваются в цепочки, где спины (магнитные моменты) соседних ионов то выстраиваются параллельно, как в ферромагнетике, то антипараллельно, как в антиферромагнетике. Эти две подсистемы сосуществуют и влияют друг на друга, но как именно внешнее магнитное поле перестраивает их танец, оставалось загадкой.
Чтобы увидеть этот танец, учёные использовали терагерцовую спектроскопию — метод, который улавливает колебания спинов с частотой около триллиона раз в секунду. Они прикладывали магнитное поле до 31 тесла (это в миллион раз сильнее поля Земли) вдоль разных осей кристалла и следили, как меняется поглощение излучения. Когда поле направляли поперёк цепочек, при 5.4 тесла происходил резкий разворот спинов — так называемый спин-флоп переход. Низкочастотные моды исчезали, а вместо них появлялись новые ветви возбуждений.
При поле вдоль цепочек картина оказалась иной: резкого разворота не было, но при 16.3 тесла ферромагнитная подсистема полностью поляризовалась. Спектр упростился до одной широкой моды, которая становилась всё более жёсткой с ростом поля. Это означает, что связь между двумя подсистемами ослабла: ферромагнитные цепочки замерли, а антиферромагнитные продолжали свой танец, но уже в одиночку.
Раньше было непонятно, как сосуществующие магноны и спиноны обмениваются энергией при изменении внешних условий. Теперь стало ясно: поле действует как дирижёр, который то заставляет танцоров резко сменить па, то плавно отстраняет одного из них. Сравнение спектров при разных ориентациях поля позволило разделить вклады каждой подсистемы и увидеть, как ослабевает их связь в сильных полях.
Это чистое знание: практических применений пока не видно. Но оно открывает путь к пониманию квантовых фазовых переходов в низкоразмерных магнитах, где коллективные и дробные возбуждения переплетаются, как шаги двух танцоров. И когда-нибудь этот танец, возможно, научится управлять новыми материалами.
Кристалл Cu2(OH)3Br известен как боталлакит и впервые описан в 1948 году. Его структура напоминает лестницу из медных ионов, где ферромагнитные и антиферромагнитные «ступени» чередуются.