O gheață de spin (spin ice) este o substanță magnetică care nu are o singură stare fundamentală (stare de energie minimă). Ea conține momente magnetice (adică „spini”) ca grade elementare de libertate, care sunt supuse unor interacțiuni frustrate. Prin natura lor, aceste interacțiuni împiedică momentele magnetice să adopte un aranjament periodic al orientării chiar și la temperaturi mult mai mici decât scara de energie caracteristică acestor interacțiuni. Ghețurile de spin prezintă proprietăți la temperaturi joase — în special — strâns legate de cele ale gheții cristaline obișnuite, adică apa înghețată.
Cele mai reprezentative compuși cu aceste proprietăți sunt (Dy2Ti2O7) și (Ho2Ti2O7). Orientarea momentelor magnetice în gheața de spin seamănă cu organizarea pozițională a atomilor de hidrogen (mai precis, a hidrogenului ionizat, adică protoni) în gheața obișnuită (vezi figura 1).
Experimentele au găsit dovezi pentru existența unor deconfinați în aceste materiale, cu proprietăți asemănătoare celor ale monopolurilor magnetice ipotetice postulate pentru vid.
Descriere tehnică
În 1935, Linus Pauling a observat că atomii de hidrogen din gheață (apă) ar trebui să rămână dezordonați chiar și la zero absolut. Cu alte cuvinte, chiar și la răcirea până la zero absolut, gheața ar trebui să aibă , adică o dezordine intrinsecă. Acest lucru se datorează faptului că structura cristalină hexagonală a gheții obișnuite conține atomi de oxigen cu patru atomi vecini de hidrogen. În gheață, pentru fiecare atom de oxigen, doi dintre atomii de hidrogen vecini sunt aproape (formând molecula tradițională de H2O), iar doi sunt mai îndepărtați (fiind atomii de hidrogen ai moleculelor vecine de apă).
Pauling a observat că numărul configurațiilor care respectă această regulă „doi aproape, doi departe” (așa-numitele ) crește exponențial cu dimensiunea sistemului și, prin urmare, entropia gheții la zero absolut ar trebui să fie extensivă.
Ghețurile de spin sunt materiale formate din tetraedre regulate de ioni magnetici legați prin vârfuri. Fiecare ion are un moment magnetic nenul (adesea numit simplu spin). În starea de energie joasă, acești spini trebuie să respecte regula „doi înăuntru, doi în afară” pentru fiecare tetraedru al structurii cristaline (vezi figura 2). Această regulă este analogă regulii „doi aproape, doi departe” din gheață (figura 1).
La fel cum Pauling a arătat că regula gheții produce o entropie extensivă în gheață, regula „doi înăuntru, doi în afară” produce aceeași proprietate de entropie reziduală în sistemele de gheață de spin.
Deși Philip Warren Anderson observase deja în 1956 legătura dintre problema unui magnet frustrat geometric descris de modelul Ising antiferomagnetic pe o rețea piroclorată de tetraedre și problema gheții lui Pauling, materialele reale de tip gheață de spin au fost descoperite abia aproximativ patruzeci de ani mai târziu.
Primele materiale identificate ca ghețuri de spin au fost piroclorii Dy2Ti2O7 (titanat de disprosiu) și Ho2Ti2O7 (titanat de holmiu). Ulterior s-a arătat că și Dy2Sn2O7 (stannat de disprosiu) și Ho2Sn2O7 (stannat de holmiu) prezintă comportament de gheață de spin.
Aceste patru materiale aparțin familiei oxizilor piroclorați de pământuri rare. De asemenea, CdEr2Se4, un spinel în care ionii magnetici Er3+ ocupă tetraedre conectate prin vârfuri, prezintă și el comportament de gheață de spin.
Materialele de tip gheață de spin sunt caracterizate printr-o dezordine aparent aleatorii a orientării momentelor magnetice ale ionilor magnetici, chiar și atunci când materialul se află la temperaturi foarte joase. Măsurătorile susceptibilității magnetice în curent alternativ (AC) arată că momentele magnetice suferă un proces de „înghețare” dinamică pe măsură ce temperatura scade sub valoarea la care capacitatea termică masică prezintă un maxim.
Maximul larg observat în capacitatea termică nu corespunde unei transformări de fază. Mai degrabă, temperatura la care apare maximul, aproximativ 1K în Dy2Ti2O7, marchează o schimbare rapidă a numărului de tetraedre în care regula „doi înăuntru, doi în afară” este încălcată. Tetraedrele în care această regulă este încălcată reprezintă locurile în care se găsesc monopolurile magnetice menționate anterior. Din punct de vedere matematic, configurațiile de gheață de spin pot fi descrise prin drumuri euleriene închise.
Monopoluri magnetice
Ghețurile de spin sunt sisteme magnetice frustrate geometric. În mod obișnuit, frustrarea este asociată cu aranjamente triunghiulare sau tetraedrice ale momentelor magnetice cuplate prin interacțiuni de schimb antiferomagnetice, ca în modelul Ising al lui Anderson. În schimb, ghețurile de spin sunt feromagneți frustrați.
Frustrarea apare deoarece o anizotropie magnetică locală foarte puternică, generată de câmpul cristalin, forțează momentele magnetice să fie orientate fie către interiorul, fie către exteriorul tetraedrului. În aceste condiții, interacțiunile feromagnetice devin incompatibile între ele. Mai important, frustrarea și regula „doi înăuntru, doi în afară” rezultă în principal din interacțiunea dipol–dipol magnetostatică de lungă rază și nu din interacțiunea de schimb dintre vecini apropiați.
Pentru un tetraedru aflat într-o configurație „doi înăuntru, doi în afară”, câmpul de magnetizare are divergență nulă; există aceeași cantitate de „flux de magnetizare” care intră în tetraedru și care iese din el. Într-o astfel de situație nu există sursă sau puț al câmpului. Conform , o divergență nenulă a unui câmp poate fi interpretată ca o sarcină. În contextul gheții de spin, aceste „sarcini” corespunzătoare încălcării regulii „doi înăuntru, doi în afară” sunt monopoluri magnetice.
În 2009, cercetătorii au raportat observația experimentală a unor de energie joasă care se comportă ca monopoluri magnetice în gheața de spin. Un monocristal de titanat de disprosiu a fost studiat în intervalul de temperatură 0,6–2,0K. Folosind , momentele magnetice au fost observate formând structuri tubulare asemănătoare unor . La capătul fiecărui astfel de tub, câmpul magnetic se comportă ca al unui monopol. Prin aplicarea unui câmp magnetic extern, cercetătorii au putut controla densitatea și orientarea acestor șiruri.
Sarcina efectivă a monopolurilor magnetice în compușii Dy2Ti2O7 și Ho2Ti2O7 este aproximativ (magnetonul Bohr pe ångström). Deoarece constituenții elementari ai acestor materiale sunt dipoli magnetici, apariția monopolurilor este un exemplu de .
Originea microscopică a momentelor magnetice atomice este mecanica cuantică: constanta lui Planck apare explicit în expresia . Cu toate acestea, în titanatul de disprosiu și titanatul de holmiu comportamentul momentelor magnetice este descris eficient de mecanica statistică clasică în intervalul de temperatură relevant experimental (aproximativ 0,05–2K).
Există un interes actual pentru identificarea unor ghețuri de spin cuantice, materiale în care comportamentul momentelor magnetice necesită descriere prin mecanica cuantică. Se consideră că ionii de praseodim, terbiu sau yterbiu ar putea genera astfel de sisteme. Un motiv major pentru interesul în aceste materiale este posibilitatea apariției unei , o stare a materiei în care momentele magnetice fluctuează chiar și la temperatura zero absolut.
Teoria care descrie proprietățile la energie și temperatură joasă ale gheții de spin cuantice este analogă cu cea a electrodinamicii cuantice (QED) în vid. Acesta este un exemplu de fenomen de .
Ghețuri de spin artificiale
Ghețurile de spin artificiale sunt metamateriale formate din nanomagneți cuplați aranjați pe rețele periodice sau aperiodice.
Aceste sisteme permit investigarea experimentală a unor fenomene precum frustrarea, apariția monopolurilor magnetice emergente și transformările de fază. De asemenea, ghețurile de spin artificiale prezintă potențial ca cristale magnonice reprogramabile și sunt studiate pentru dinamica lor rapidă.
Au fost investigate numeroase geometrii, inclusiv structuri cvasicristaline și sisteme tridimensionale, precum și diferite materiale magnetice pentru a modifica anizotropiile și temperaturile de blocare.
Cercetările viitoare includ dezvoltarea metodelor de fabricație și caracterizare, explorarea unor noi geometrii și combinații de materiale și aplicații potențiale în , stocarea datelor și circuite cu microunde reconfigurabile.
În 2021 a fost demonstrată utilizarea gheții de spin artificiale pentru neuromorf, rezolvând diverse sarcini computaționale prin dinamica magnetică complexă a sistemului.
Note
Vezi și Constanta de gheață pătrată a lui Lieb Sticlă de spin Magnetism
Categorie:Fizica materiei condensate