Что если магнит может иметь не два полюса, а восемь — и при этом оставаться невидимым для всех привычных приборов? Именно такой «призрак» удалось поймать учёным из Университета Торонто. И поймали они его с помощью света и звука одновременно.
Магниты, которые мы знаем — и те, что прятались от нас
Большинство магнитов, с которыми мы сталкиваемся каждый день — от холодильных наклеек до компасов — работают по принципу диполя: есть северный полюс и есть южный. Это базовая, хрестоматийная конфигурация. Но квантовая механика давно намекала, что природа куда изобретательнее.
Существуют более сложные формы магнетизма. Одна из них — так называемый октупольный порядок (octupolar order): в нём частицы, выстроенные в кристаллическую решётку, ведут себя так, будто у материала целых восемь магнитных полюсов. Проблема в том, что обычными инструментами такие состояния не обнаружить — они буквально прозрачны для стандартных методов измерения.
Свет + вибрации = новый «рентген» для квантового магнетизма
Команда физиков под руководством профессора Аруна Парамеканти (Arun Paramekanti) из Департамента физики и Центра квантовой информации и квантового контроля факультета искусств и науки Университета Торонто предложила принципиально новый способ «видеть» эти скрытые состояния.
Метод основан на изучении фононов — квантов вибраций, которые распространяются по кристаллической решётке материала подобно звуковым волнам в твёрдом теле. Исследователи направили на магнитный материал специальный вращающийся свет и стали наблюдать за тем, как он взаимодействует с атомными колебаниями внутри структуры.
Ключевым открытием стали хиральные фононы — особые вибрации, у которых есть «рукость»: они существуют в двух зеркально несимметричных формах, которые невозможно совместить друг с другом. Аспирант Рори Сатклифф (Rory Sutcliffe), ведущий автор исследования, объясняет это так:
Точно так же, как левая рука не может точно накрыть правую, хотя они зеркальные отражения друг друга, хиральные фононы обладают «рукостью» и существуют в отдельных, несовпадающих формах.
Невидимый отпечаток октупольного порядка
Оказалось, что именно эта «рукость» — ключ к разгадке. Скрытые октупольные магнитные состояния оставляют уникальный след в этих вибрациях. Когда учёные направили вращающийся свет на материал с октупольным порядком, они обнаружили, что появление этого состояния придаёт определённым фононным модам выраженную «рукость».
Как объясняет Swati Chaudhary, научный сотрудник Токийского университета и соавтор исследования:
Мы обнаружили, что начало октупольного порядка может придать фононным модам определённую «рукость». Такие вибрации ведут себя иначе, чем в обычных магнетиках, поэтому мы называем их «псевдохиральными» фононами — и они открывают новый способ выявления и изучения скрытых магнитных состояний.
По словам аспирантки Катлин Харт, соавтора работы:
Наша работа предлагает новый оптический метод обнаружения скрытых магнитных порядков, которые трудно выявить стандартными приёмами, и закладывает основу для управления октупольным магнетизмом через атомные вибрации внутри материала.
Эти результаты дают учёным новый инструмент для обнаружения и манипулирования ранее недоступными формами магнетизма, открывая новые направления для развития квантовых технологий.
