решётка кагоме

В японской плетёной корзине треугольники и шестиугольники складываются в узор, который физики называют решёткой кагомэ. Этот узор оказывается не просто красивым: электроны в таком материале ведут себя необычно, потому что решётка распадается на три группы узлов, три подрешётки.

В японской плетёной корзине треугольники и шестиугольники складываются в узор, который физики называют решёткой кагомэ. Этот узор оказывается не просто красивым: электроны в таком материале ведут себя необычно, потому что решётка распадается на три группы узлов, три подрешётки.

В зале с танцующими парами зазвучала другая музыка, и пары, что выстроились в линии, вдруг закружились вихрями. Так магнитный кристалл Fe3Ge перестраивает свой внутренний узор, когда температура поднимается выше 375 кельвинов, а это около ста градусов тепла. До этого рубежа магнитные стрелки в кристалле лежат плашмя, как пары, танцующие вальс по кругу.

Молекула триптицена напоминает трёхлучевую звезду с жёсткими лучами. Когда такие звёзды рассыпают по поверхности свинца, они сами складываются в узор, похожий на плетёную корзину: треугольники и шестиугольники чередуются, а в каждом узле сидит не одна звезда, а пара.

Кристалл PbCuTe₂O₆ представляет собой трёхмерную паутину из атомов меди, теллура и кислорода. Внутри неё магнитные моменты — крошечные стрелки, связанные со спинами электронов, — запутаны так, что не могут выстроиться в привычный порядок даже вблизи абсолютного нуля.

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара то появляются, то исчезают — похожая борьба идёт в двумерных материалах. Здесь электроны одновременно и создают магнетизм, и пытаются его погасить.

В мире магнетизма долго царила простая дихотомия: ферромагнетики, где спины смотрят в одну сторону, и антиферромагнетики, где они выстраиваются в шахматном порядке, компенсируя друг друга. Но недавний «третий игрок» — альтермагнетики — заставил переписывать правила.

Магнитные вихри размером в десятки нанометров — как крошечные смерчи, застывшие в металле. Их называют скирмионами, и они ведут себя на удивление устойчиво: их трудно разрушить, зато легко двигать. Именно поэтому инженеры видят в них идеальные «ячейки» для памяти будущего — быстрой, экономичной и не боящейся сбоев. Но до сих пор никто не знал, как именно устроен такой вихрь в толще материала.

Квантовая цепочка спинов похожа на нитку бус, где каждая бусина — микроскопический магнит, указывающий вверх или вниз. В модели XXZ эти магнитики взаимодействуют по-разному вдоль трёх осей, и при особых значениях параметра — корнях из единицы — у системы просыпается скрытая память. Обычно симметрии в таких цепочках задаются набором величин, которые можно перемножать в любом порядке — как числа.

Ионный проводник напоминает переполненный автобус, где пассажиры (ионы) пытаются протиснуться к выходу. Раньше считалось, что быстро выйти можно либо если автобус мягко покачивается (мягкая решётка), либо если пассажиры стоят в хаотичном порядке (геометрический беспорядок). Новая работа показывает: это не два разных трюка, а один и тот же.

Электроны в кристалле напоминают автомобили на городских улицах: одни несутся по проспектам, другие застревают в пробках. В некоторых решётках движение замирает полностью — скорость перестаёт зависеть от энергии, и электроны становятся «плоскими». Это не затор, а особый ритм сети, где волны гасят друг друга.

В кастрюле с супом каждая крупинка — крошечный магнит, который хочет развернуться в противоположную сторону от соседа. Нагрейте суп — и магнитики начнут метаться, подчиняясь теплу. Но как узнать, насколько они непослушны при каждой температуре? Для обычного вещества это считают на мощных компьютерах, перебирая варианты.

Магнитное поле растёт — а намагниченность замирает на месте. Словно весы, на которых груз добавляют, а стрелка не двигается, пока не накопится достаточно, чтобы перескочить на следующую отметку. Именно так ведут себя кристаллы редкоземельных тетраборидов, и физики десятилетиями не могли понять, почему.

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?

Длинную нитку замкнули в кольцо и завязали на ней узел. Узел скользит по нити, пока не упрётся во что-то. А теперь нитка состоит из двух разных участков: один жёсткий и скользкий, другой — мягкий и липкий. При нагревании липкий участок размягчается, и узел может сползти с него, как санки с подтаявшей горки.

Если бросить горсть монет на стол, они лягут как попало. Но в некоторых кристаллах атомы выстраиваются в узор, напоминающий плетёную корзину — решётку кагоме. В металле MgMn₆Sn₆ такую решётку образуют атомы марганца, и при комнатной температуре они действуют как крошечные магнитные стрелки. Только смотрят эти стрелки не строго в одну сторону, а слегка расходятся веером в плоскости слоя.

Горсть медных монет, рассыпанных по треугольной сетке, застывает в странном порядке, когда через них пропускают ток. Примерно так ведут себя крошечные магнитные стрелки — спины электронов — в кристалле с редким названием Y-капеллазит.

Треугольная сетка, в узлах которой сидят крошечные магнитные стрелки. По этой сетке бегают электроны — носители тока. Обычно стрелки выстраиваются просто: все в одну сторону (ферромагнетик) или чередуются в плоскости. Но в новой работе учёные показали, что на треугольной решётке всё может быть гораздо интереснее.

Танцпол заполнен людьми, которые движутся каждый сам по себе. Вдруг часть из них разбивается на пары — кружатся, почти не замечая соседей, а остальные выстраиваются в цепочки. Примерно так ведут себя атомы в металле CsCr₃Sb₅ — одном из представителей кагоме-металлов, чья кристаллическая решётка напоминает плетёную корзину.

Крошечный магнит, собранный всего из двух молекул, лёг на поверхность металла — и повёл себя как капризный дирижёр. Обычно электроны в металле движутся согласованно, как толпа на эскалаторе. Но при сильном охлаждении этот порядок ломается, и движение становится непредсказуемым. Именно такое поведение удалось зафиксировать в новом эксперименте.

Магнитные монополи — как половинки магнита, которые не могут существовать поодиночке в обычном материале. Но в спиновом льду они появляются парами, соединённые невидимой нитью — струной Дирака. Раньше такие монополи видели только в искусственных системах при комнатной температуре, но их квантовое движение оставалось загадкой.

Плетёная корзина из ивовых прутьев держит форму за счёт переплетения. Похожий узор — треугольники, сцепленные в плоскую сетку — обнаружили в новом кристалле с формулой Cs₃V₉Te₁₃. Здесь атомы ванадия образуют два набора треугольников, которые пронизывают друг друга, как нити в ткани. Этот узор не просто красив: он заставляет электроны двигаться по особым «плоским» энергетическим дорожкам.

Плоский лист с системой прорезей, помещённый в поток воды или воздуха, демонстрирует поведение, напоминающее самонастраивающиеся жалюзи. Динамический напор раскрывает щели, и каждая полоска материала наклоняется, становясь миниатюрным крылом — элементом, создающим подъёмную силу за счёт разницы давлений на поверхностях.

Кристалл Fe₃Sn₂ похож на узорчатую решётку, где атомы железа сидят в углах шестиугольников. При обычных условиях их магнитные стрелки выстроены ровно, как солдаты в шеренге. Но стоит сжать кристалл — и строй ломается. Под давлением около 20 гигапаскалей (это как если бы на ноготь поставили двадцать слонов) решётка слегка перестраивается.

Медные спины в кристалле Cs₂Cu₃SnF₁₂ расположены на треугольной решётке, напоминающей японский плетёный узор кагомэ. При охлаждении ниже 20 К эти спины выстраиваются в узор с отрицательной векторной хиральностью — как если бы все водовороты в реке закручивались в одну сторону, но с определённым знаком закрутки.

В некоторых материалах магнитные моменты атомов — их крошечные «стрелки» — отказываются застывать даже при сверхнизких температурах. Вместо привычного порядка они образуют спиновую жидкость: состояние, где спины постоянно мерцают, но делают это согласованно, словно танцоры в сложном па.

Плетёная корзина из бамбука — не просто предмет обихода, а точная схема расположения атомов в кристалле YMn₆Sn₆. Шесть атомов марганца образуют шестиугольники, которые складываются в узор, напоминающий японскую кагомэ. В такой решётке электроны обычно ведут себя одинаково, как пассажиры в переполненном вагоне метро.

В узоре плетёной корзинки, где прутья переплетаются треугольниками, часть электронов застревает на месте, как монетки в щелях плетения. Другие электроны свободно бегают по всей корзинке, как свет по комнате. Физики долго искали момент, когда эти два типа электронов начинают влиять друг на друга — и вот он найден в материале CsCr6Sb6.

Плоский магнит — как тонкий лист, по которому бегут волны намагниченности. В обычных условиях эти волны быстро затухают, но если включить сильное магнитное поле, в материале появляется неожиданный сигнал — чёткий и узкий, словно тень от основной волны. Учёные облучали кристалл CuF2(D2O)2(pyz) нейтронами и следили, как меняется рассеяние при разных полях.

Кристалл Co2SeO3Cl2 похож на слоёный пирог, где каждый слой — изогнутая сотовая сетка из атомов кобальта. При охлаждении до 25,4 К (−247,75 °C) в этой сетке начинают выстраиваться магнитные моменты атомов, как стрелки компасов, но не все разом, а в четыре этапа — при 25,4, 16,8, 11 и 3 К. Каждый этап — новый узор магнитного порядка.

Поверхность кристалла уранового соединения UTe2 похожа на застывшее море: в одних местах электроны свободно движутся, в других — застревают возле атомов. Сканирующий туннельный микроскоп (прибор, который ощупывает поверхность острейшей иглой и чувствует отдельные электроны) показал, что этот пейзаж не случаен.

Гибкую полимерную нить, замкнутую в кольцо, поместили в микроскопический объём с жидкостью. Такая система способна либо поглощать воду и набухать, подобно губке, либо выталкивать влагу и сжиматься в плотный клубок. Переключение между этими состояниями определяется наличием и типом узла на нити.

Щупальце осьминога изгибается, хватает и тянется — и всё это без единой кости. Секрет в том, что внутри него чередуются участки, которые сокращаются, и участки, которые остаются пассивными. Учёные давно пытаются повторить этот трюк в искусственных материалах, но до сих пор не могли точно задать, как именно материал будет менять форму.

Обычная резиновая полоска, начинённая мелкими железными опилками, в магнитном поле не просто изгибается — она завязывается в устойчивый узел. Такой эффект предсказали и воспроизвели в эксперименте физики, работавшие с магнитоактивным эластомером: силиконовой основой с частицами карбонильного железа.

Физики взяли 114 атомов рубидия, охладили до температур почти абсолютного нуля (как в экспериментах с жидким гелием) и аккуратно разложили в узор пчелиных сот. Затем они начали плавно менять силу взаимодействий, словно медленно повышая температуру в кастрюле. При низком «огне» атомы держались стройными магнитными рядами, образуя упорядоченную структуру, похожую на кристалл.

Обычный магнит заставляет стрелку компаса поворачиваться, но не мешает ей двигаться вперёд. А если магнитное поле скрутить в узел, оно может запереть частицу на месте, как ловушка. Такое явление называется «клеткой Ааронова–Бома»: волны частицы гасят друг друга в одних точках и усиливают в других, оставляя ей лишь крошечные «островки» для жизни.

Три заряженных атома иттербия выстроены в треугольник внутри электромагнитной ловушки. Обычно они все общаются друг с другом, как три человека за одним столом, которые постоянно обмениваются репликами. Но если один из них выйдет в соседнюю комнату, беседа продолжится уже между оставшимися двумя.

Магниты в этом кристалле ведут себя как гости на вечеринке, где каждый хочет сесть на один и тот же стул. Никто не может устроиться окончательно — и от этой неразберихи рождается особое состояние. В нём спиновый момент (то, что делает электрон крошечным магнитиком) умудряется пробежать 480 микрометров.

Представьте себе стопку блинов, где каждый блин намагничен, но направления намагниченности в соседних блинах противоположны. Именно так устроен новый магнитный материал: в каждом атомном слое все магнитные моменты — «стрелки» атомов — выстроены в одном направлении, а следующий слой намагничен строго в обратную сторону.

В 1903 году Фриц Гейслер открыл сплав Cu₂MnAl, который вёл себя как магнит, хотя ни один из составляющих его металлов магнитом не был. С тех пор семейство гейслеровых сплавов разрослось до трёх тысяч соединений, и среди них Co₂FeGe — материал, который притягивает внимание физиков своей высокой температурой Кюри и перспективами в спинтронике.