Fysiker har identifierat ett nytt tillstånd av materia vars strukturella ordning fungerar genom regler som är mer anpassade till kvantmekaniken än standard termodynamisk teori. I ett klassiskt material som kallas artificiell spin-is, som i vissa faser verkar störd, materialet är faktiskt beställt, men i en "topologisk" form.

"Vår forskning visar för första gången att klassiska system som artificiell spin-is kan designas för att visa topologiskt ordnade faser, som tidigare endast har hittats under kvantförhållanden, " sa Los Alamos National Laboratory fysiker Cristiano Nisoli, ledare för den teoretiska gruppen som samarbetade med en experimentgrupp vid University of Illinois i Urbana-Champaign, ledd av Peter Schiffer (nu vid Yale University).

Fysiker klassificerar i allmänhet materiens faser som ordnade, som kristall, och oordnad, såsom gaser, och de gör det på grundval av symmetrin i en sådan ordning, sa Nisoli.

"Demonstrationen att dessa topologiska effekter kan designas till ett artificiellt spin ice-system öppnar dörren till ett brett utbud av möjliga nya studier, " sa Schiffer.

Specialiserat material upprätthöll förbryllande energinivåer i experiment

I den nya forskningen, teamet utforskade en speciell artificiell spin-is-geometri, kallas Shakti spin ice. Även om dessa material är teoretiskt utformade, den här gången, upptäckten av dess exotiska, egenskaper som inte var i jämvikt gick från experiment till teori.

Utför karakterisering av fotoemissionselektronmikroskopi vid U.S. Department of Energy's Advanced Light Source vid Lawrence Berkeley National Laboratory, Schiffers team avslöjade något förbryllande:Till skillnad från andra konstgjorda spin-isar, som kunde nå sitt lågenergitillstånd när temperaturen sänktes i successiva släckningar, Shakti spin-is förblev envist på ungefär samma energinivå. "Systemet fastnar på ett sätt att det inte kan ordna om sig självt, även om en storskalig omarrangering skulle tillåta den att falla till ett lägre energitillstånd, " sa Schiffer.

Klart, något höll på att bevaras, men ingenting framstod som en självklar kandidat i ett material som på konstgjord väg utformats för att ge en oordnad snurrbild.

Backar för att se helheten

Att gå bort från en snurrbild och koncentrera sig på en framväxande beskrivning av excitationerna i systemet, Nisoli beskrev ett lågenergitillstånd som kunde kartläggas exakt till en berömd teoretisk modell, "dimer täckmodell, " vars topologiska egenskaper hade känts igen tidigare. Sedan, data från experimentet bekräftade topologisk laddningsbevarande och därmed en lång livslängd för excitationerna.

"Jag tycker att det är mest spännande eftersom teoretiska ramar vanligtvis rör sig från klassisk fysik till kvantfysik. Inte så med topologisk ordning, sa Nisoli.

Framgång i samarbete

Fysiska experiment utfördes av Schiffers team vid University of Illinois i Urbana-Champaign och finansierades av U.S. Department of Energy's Office of Science. Materialets kinetik undersöktes i realtid och verkligt rum vid den avancerade ljuskällan.