Amerikanische Physiker der Yale University und des Los Alamos National Laboratory haben eine spezielle Metalllegierung entdeckt, deren Eigenschaften Superfluiden ähneln. Diese Substanz ist eine Art Spineis, in dem Analoga von Quantenwirbeln auftreten. Der Artikel von Wissenschaftlern wurde in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Spineis ist eine Substanz, bei der die Ausrichtung der magnetischen Momente geladener Ionen der Anordnung von Wasserstoffatomen (Protonen) im Wassereis ähnelt. Wenn Wasser gefriert, sind die Atome in der tetraedrischen Zelle des Kristalls so angeordnet, dass das Sauerstoffatom eines Wassermoleküls von vier Protonen umgeben ist. In diesem Fall sind zwei Protonen weiter als andere, da sie zu zwei anderen Wassermolekülen gehören. In ähnlicher Weise sind beim Spineis die magnetischen Momente zweier Ionen nach innen vom Tetraeder und die anderen beiden nach außen gerichtet. Spin-Eis besteht im Wesentlichen aus winzigen Nanomagneten.
Physiker haben eine Art Spin-Eis untersucht, das vom Shakti-Gitter gebildet wird. Es ermöglicht viele solcher Konfigurationen magnetischer Momente, bei denen die Wechselwirkungsenergie in den Zellen minimiert wird. Einige der Konfigurationen befinden sich jedoch in einem angeregten Zustand und ihr Auftreten im Spineis ist unvermeidlich. Infolgedessen tritt geometrische Frustration auf - ein Phänomen, bei dem das gesamte System nicht vollständig eingefroren werden kann (selbst bei absolutem Nullpunkt), da es keinen einzigen Grundzustand aufweist. Dieses Verhalten ist typisch für alle Spineis.
Während der Studie führten die Wissenschaftler eine Spin-Eis-Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) aus Permalloy, einer Legierung aus Eisen und Nickel (Ni81Fe19), durch. Die Bestrahlung der Probe mit Röntgenstrahlen ermöglichte es, Änderungen der magnetischen Momente aufzuzeichnen, die mit abnehmender Temperatur auftreten. Die Spineisprobe wurde zuerst von 290 Kelvin (K) auf 220 K und dann auf 180 K und darunter abgekühlt (1 K entspricht -272,15 Grad Celsius).
Obwohl andere Arten von Spineis ihre Gitter mit abnehmender Temperatur wieder aufbauen, um den niedrigstmöglichen Energiezustand zu erreichen, stellte sich heraus, dass das Shakti-Gitter auf einem bestimmten Niveau "stecken bleibt". Dies geschieht auch dann, wenn eine umfassende Umstrukturierung des Systems die Energie minimieren könnte. Nach den Schlussfolgerungen der Physiker weist dies darauf hin, dass dieses Spineis eine globale topologische Ordnung aufweist und Anregungen topologisch vor Streuung geschützt sind und lange anhalten.
Topologisch geordnete Phasen wurden bereits für quantenmechanische Systeme beschrieben, die mit derselben Energie unterschiedliche Zustände annehmen können (entartete Zustände). Mit anderen Worten, stabile Anregungen im Shakti-Gitter ähneln gewissermaßen Quantenwirbeln in Superfluiden, die aufgrund der Entartung der Grundzustände auch topologisch geschützt sind.