Fizicienii americani de la Universitatea Yale și Laboratorul Național Los Alamos au descoperit un aliaj metalic special, ale cărui proprietăți seamănă cu superfluidele. Această substanță este un fel de gheață rotativă, în interiorul căreia apar analogi de vârtejuri cuantice. Articolul oamenilor de știință a fost publicat în revista Nature Physics.
Gheața rotativă este o substanță în care orientarea momentelor magnetice ale ionilor încărcați seamănă cu aranjarea atomilor de hidrogen (protoni) în gheața de apă. Când apa îngheață, atomii din interiorul celulei tetraedrice a cristalului sunt dispuse astfel încât atomul de oxigen al unei molecule de apă să fie înconjurat de patru protoni. În acest caz, doi protoni sunt mai depărtați decât alții, deoarece aparțin altor două molecule de apă. În mod similar, în gheața rotativă, momentele magnetice ale doi ioni sunt direcționate spre interiorul tetraedrului, iar celelalte două - spre exterior. În esență, gheața rotativă este formată din nanomagnete minuscule.
Fizicienii au studiat un tip de gheață rotativă formată din rețeaua Shakti. Permite multe astfel de configurații de momente magnetice în care energia de interacțiune în celule este minimizată. Cu toate acestea, unele dintre configurații sunt într-o stare emoționată, iar apariția lor în gheața rotativă este inevitabilă. Ca urmare, apare frustrarea geometrică - un fenomen în care întregul sistem nu poate fi complet înghețat (chiar și la zero absolut), deoarece nu are o singură stare de bază. Acest comportament este tipic pentru toți spinarea.
În timpul studiului, oamenii de știință au efectuat o microscopie electronică fotoemisie cu gheață spinată (PEEM) realizată din permalloy, un aliaj de fier și nichel (Ni81Fe19). Iradierea eșantionului cu raze X a făcut posibilă înregistrarea modificărilor momentelor magnetice care apar cu scăderea temperaturii. Proba de gheață spină a fost răcită mai întâi de la 290 Kelvin (K) la 220 K, apoi la 180 K și mai jos (1 K corespunde la -272,15 grade Celsius).
Deși alte tipuri de gheață rotativă își reconstruiesc zăbrele cu temperatura în scădere pentru a ajunge la cea mai mică stare de energie posibilă, s-a dovedit că zăbreala Shakti „se blochează” la un anumit nivel. Acest lucru se întâmplă chiar dacă o restructurare pe scară largă a sistemului ar putea reduce la minimum energia. Conform concluziilor fizicienilor, acest lucru indică faptul că această gheață rotativă are o ordine topologică globală, iar excitațiile sunt protejate topologic de împrăștiere și persistă mult timp.
Fazele ordonate topologic au fost descrise anterior pentru sisteme mecanice cuantice care pot prelua diferite stări cu aceeași energie (stări degenerate). Cu alte cuvinte, excitațiile stabile în rețeaua Shakti, într-un sens, seamănă cu vârtejurile cuantice în superfluide, care sunt, de asemenea, protejate topologic datorită degenerării stărilor de la sol.
