A Weiguo Yin és Alekszej Tsvelik kutatók által azonosított szokatlan állapot különlegességét az elektronspinek sajátos elrendeződése adja; ezek a spinek apró mágneses momentumokat képviselnek, amelyek kétféle irány vehetnek fel: „felfelé” vagy „lefelé”. Az új fázisban a spinek egyaránt mutatnak erősen rendezett („hideg”) és erősen rendezetlen („forró”) konfigurációkat – innen ered az állapot jelképes neve is.

A Physical Review Letters folyóirat 2024. december 31-i számában ismertetett „félig jég, félig tűz” állapot érdekes tulajdonsága, hogy véges hőmérsékleten képes éles és gyors fázisátalakulásra. Ez a gyors és pontos váltás a különböző állapotok között új utakat nyithat az energiahatékony technológiák és az információtechnológia fejlődése számára.

„A kondenzált anyag fizikájának egyik legfontosabb kihívása az egzotikus fizikai tulajdonságokkal rendelkező új állapotok felfedezése, valamint az ezek közötti átmenetek megértése és irányítása”

– magyarázta Yin.

„Az ilyen kérdések megválaszolása jelentősen hozzájárulhat a kvantumszámítási és spintronikai technológiák fejlődéséhez.”

A mostani felfedezés egy korábbi, még 2012-ben megkezdett kutatásra épül, amelyben Yin és Tsvelik mellett egy John Hill által vezetett kutatócsoport is részt vett. Ekkor a kutatók elsősorban az Sr₃CuIrO₆ mágneses vegyületet vizsgálták, és 2016-ban már azonosítottak egy hasonló állapotot „félig tűz, félig jég” néven, amelyet egy kritikus külső mágneses tér idézett elő. Ebben az állapotban a rézhelyeken található spinek nagymértékben rendezetlenek és kisebbek voltak, míg az irídiumhelyeken elhelyezkedő spinek teljesen rendezettek és nagyobbak voltak. Annak ellenére, hogy áttörést értek el, továbbra is kérdések maradtak nyitva az elfogadott elméletek miatt, amelyek szerint egydimenziós mágneses modellekben nem lehetséges véges hőmérsékletű fázisátalakulás.

Yin legújabb publikációi azonban rámutattak, hogy ezek az átmenetek mégis létrejöhetnek meghatározott véges hőmérsékleten, rendkívül szűk fázisátmeneti tartományokon keresztül. Ennek alapján fedezték fel Yin és Tsvelik a mostani, „félig jég, félig tűz” állapotot, amely lényegében a korábbi állapot tükörképe, a meleg és hideg spinek helycseréjével.

A felfedezés gyakorlati alkalmazási lehetőségei rendkívül ígéretesek. Az éles állapotváltás és a jelentős mágneses entrópia-változások például hozzájárulhatnak a hatékonyabb hűtéstechnológiák fejlesztéséhez, valamint alapját képezhetik újfajta kvantuminformáció-tárolási megoldásoknak is.

„A következő lépésben azt vizsgáljuk, hogy ez a tűz-jég jelenség hogyan valósulhat meg még komplexebb kvantumrendszerekben” – jegyezte meg Yin. „Ez a felfedezés új kapukat nyit meg előttünk, számos izgalmas lehetőséget kínálva.”

(A cikkhez használt kép illusztráció, a DALL-E generálta/Rakéta.hu)