Vědci vytvořili anti-spinový led, který porušuje pravidlo ledu

Vědci podle studie zveřejněné v časopise Nature Communications realizovali takzvaný anti-spin ice, tedy anti-spinový led. Jde o systém, který se chová opačně než konvenční spinové ledy, protože porušuje pravidlo ledu, jímž se tyto materiály běžně řídí. Dostupné informace o práci jsou přitom omezené: nejsou z nich patrná jména autorů, instituce, která výzkum zaštiťuje, ani přesné datum publikace.

Aby bylo jasné, v čem je zjištění zajímavé, je užitečné připomenout princip, z něhož spinové ledy vycházejí. Název pochází z analogie s obyčejným vodním ledem, kde je každý atom kyslíku obklopen čtyřmi atomy vodíku, přičemž dva z nich leží blíž a dva dál. Podobné pravidlo, označované jako ice rule, platí i v magnetických systémech nazývaných spinové ledy. Jednotlivé magnetické momenty se v nich uspořádávají tak, aby byla v každém uzlu mřížky splněna určitá lokální podmínka. Podle ní se v typickém případě dva momenty orientují směrem do uzlu a dva směrem ven. Právě toto lokální omezení vede k tomu, že systém nemůže zaujmout jediné uspořádané základní stavy a vzniká v něm takzvaná frustrace, tedy situace, kdy se všechny požadavky na energii nedají splnit najednou.

Autoři nově popsaného systému se vydali opačnou cestou. Jejich anti-spin ice pravidlo ledu neuplatňuje, nýbrž jej výslovně porušuje. Vzhledem k tomu, že v uvedeném úryvku nejsou k dispozici detaily o konkrétní realizaci, nelze spolehlivě říct, z jakých stavebních prvků je systém složen, jakým způsobem byl vytvořen ani jakými metodami byl zkoumán. Stejně tak neznáme počet částic či prvků, které se na pozorovaném chování podílely. Z dostupných informací je zřejmé pouze to, že se jedná o systém, v němž se uspořádání řídí logikou protikladnou k té, která určuje klasické spinové ledy.

Význam takového objevu lze zasadit do širšího kontextu fyziky kondenzovaných látek. Frustrované magnetické systémy patří dlouhodobě mezi oblasti, které přitahují pozornost teoretiků i experimentátorů. Právě v nich se totiž objevují neobvyklé jevy, například emergentní kvazičástice nebo stavy hmoty, jež nelze popsat jednoduchým uspořádáním. Systém, který pravidlo ledu obrací nebo porušuje, může nabídnout nový pohled na to, jak se v takových materiálech vzájemně ovlivňují lokální omezení a celkové vlastnosti. Konkrétní dopady zmíněné studie však z poskytnutých podkladů vyčíst nelze a bylo by nepoctivé je domýšlet.

Stojí za zmínku, že samotný pojem anti-spin ice není v tomto kontextu zcela intuitivní a jeho přesný význam závisí na detailech, které článek v zadaném rozsahu neuvádí. Obecně lze říci, že předpona anti- naznačuje inverzní pravidlo či opačný druh uspořádání, než jaký známe z klasických spinových ledů. Zda a jakým způsobem se v novém systému projevují další vlastnosti typické pro frustrované magnety, například zbytková entropie nebo specifické excitace, ze studie v dostupné podobě nevyplývá.

Publikace v Nature Communications ukazuje, že téma spinových ledů zůstává živé a že i po řadě let intenzivního bádání lze nalézt varianty, které rozšiřují představu o tom, jak se v takových systémech mohou magnetické momenty chovat. Ověřit podrobnosti, tedy kdo práci provedl, kde probíhala a jaké konkrétní výsledky přinesla, bude možné až z úplného znění studie. Do té doby lze s jistotou konstatovat jen základní tvrzení: vědci tvrdí, že realizovali systém, který dělá opak běžných spinových ledů tím, že porušuje pravidlo ledu.

Takto formulované zjištění je přitom samo o sobě dostatečně výrazné, aby si zasloužilo pozornost odborné veřejnosti. Pro širší čtenáře je pak hlavní informací to, že se v oblasti magnetismu podařilo ukázat uspořádání, které stojí v protikladu k zavedenému schématu, a že o něm informuje renomovaný vědecký časopis.