För första gången, fysiker presenterar en enhetlig teori som förklarar två karakteristiska egenskaper hos frustrerade magneter och varför de ofta ses tillsammans.

När fysiker skickar neutroner som skjuter genom en frustrerad magnet, partiklarna sprejar ut den andra sidan i signaturmönster. Designen visas eftersom, även vid låga temperaturer, atomer i en frustrerad metall oscillerar i takt med varandra. Ett distinkt mönster, känd som en "nypa punkt, " liknar en fluga och är allmänt studerad i världen av spinnvätskor. Nyppunkter åtföljs ofta av mystiska halvmånemönster som kallas "halvmånar, "men fysiken som kopplar samman fenomenen har aldrig klarlagts.

Nu, forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har avslöjat att nyppunkter och halvmånar är en och samma – helt enkelt signaturer av samma fysik vid olika energinivåer. Deras enhetliga teori, publicerad 12 oktober, 2018, som en Fysisk granskning B Snabb kommunikation, är den första som förklarar den underliggande fysiken som driver de ofta parade fenomenen.

"Teorin i sig är ganska enkel, sa Han Yan, en doktorand i Theory of Quantum Matter Unit vid OIST och första författare till studien. "Från samma teori som ger dig nyppunkten vid lägre energi, du kan beräkna vad som händer vid högre energi - och du får ett par halvmånar."

Om du zoomar in nära en frustrerad magnet, varje atom som utgör materialet verkar snurra oregelbundet. I verkligheten, dock, dessa atomer deltar i en vackert koordinerad dans, vänder sig i takt med varandra så att deras magnetiska drag till slut upphör. Denna balett är svår att observera direkt, så istället, fysiker söker efter tydliga ledtrådar om att föreställningen äger rum.

En experimentell teknik som kallas neutronspridning tillåter forskare att samla dessa ledtrådar. Neutroner bär ingen elektrisk laddning, men de fungerar som en lokaliserad källa till magnetism. Individuella atomer fungerar också som små magneter, komplett med sina egna nord- och sydpoler. När den skickas susande genom ett material, en neutrons hastighet och riktning kastas av av atomerna den passerar, och därmed är det "spritt".

Spridningsmönstret berättar för fysiker hur atomer beter sig inuti ett material. Till exempel, om neutroner sprider sig helt och hållet, fysiker drar slutsatsen att atomerna i ett material är slumpmässigt inriktade. Om neutroner sprids i en kännetecknande fluga, de drar slutsatsen att atomerna snurrar i tandem, som de skulle göra i en frustrerad magnet.

Nyppunkter visas när lika många atommagneter, eller "snurr, " pekar "ut" som att peka "in" i någon region av den frustrerade magneten. Denna jämvikt gör materialet omagnetiskt och håller det på en minimal energinivå.

Halvmånar dyker upp när en frustrerad magnet har energi över denna minimala nivå, och därmed bryter mot den lokala naturvårdslagen som kräver att lika många snurr påpekas som i. I huvudsak, halvmånar är klämpunkter som är inställda på en kurva. Ju större krökning, desto starkare kränkning, desto mer energi använder systemet. OIST-forskarna upptäckte detta förhållande i sina beräkningar och satte det senare på prov.

Forskarna testade sin enhetliga teori i ett simulerat system där nyppunkter och halvmånar kan observeras tillsammans, känd som en Heisenberg antiferro-magnet på ett kagomegitter. De tillämpade också sina ekvationer på nya observationer av den frustrerade magneten Nd2Zr2O7 och fann att deras teori förklarade utseendet på de två mönstren i tillämpningen, också.

"Nyppunkter och halvmånar kommer från samma underliggande fysik - den ena från att respektera den lokala bevarandelagen och den andra från att bryta mot den, " sa Yan. "När du sätter ihop dem, de bildar en hel bild av den övergripande fenomenologin."

I framtiden, den enhetliga teorin om halvmånar och nyppunkter bör visa sig användbar i både teoretisk och tillämpad fysik, och kanske bortom.

"Från en viss synvinkel, varje system av kondenserad materia är för sig själv ett annat universum, " sa Yan. "Det är en stor intellektuell nyfikenhet att hitta dessa universum, med sina egna konstiga naturlagar, men det relaterar också till det dagliga livet. Människor försöker identifiera de särskilt användbara lagarna i dessa miniuniversum så att vi kan använda dem till vår fördel."