Диаграмма состояний и спектроскопические признаки сверхтвёрдого состояния в квантовом магните Изинга K2Co(SeO3)2

Странный мир твёрдых тел, которые текут

Представьте материал, одновременно являющийся жёсткой кристаллической решёткой и безтренияющей жидкостью. Это парадоксальное состояние, называемое «сверхтвёрдым», десятилетиями интриговало физиков, но его трудно было надёжно обнаружить в реальных веществах. В этой работе исследователи показывают, что кобальтовый магнит K2Co(SeO3)2 ведёт себя именно таким экзотическим образом. Тщательно картируя, как спины — крошечные атомные магниты — упорядочиваются и флуктуируют при очень низких температурах и в сильных магнитных полях, они обнаруживают не одно, а два различных сверхтвёрдых фазы, открывая новый, экспериментально доступный путь к исследованию одних из самых необычных форм квантовой материи.

Плоская магнитная площадка

Ключ к этому открытию — геометрия и фрустрация. В K2Co(SeO3)2 магнитные ионы кобальта располагаются в плоских треугольных слоях. На такой решётке соседние спины стремятся направляться в противоположные стороны, но три спина на вершинах треугольника не могут одновременно удовлетворить это требование. Эта «фрустрация» приводит к огромному числу почти эквивалентных конфигураций, как в перемешанной колоде карт, где многие расклады имеют почти одинаковую энергию. При нулевом магнитном поле и низкой температуре эксперименты по нейтронному рассеянию показывают, что спины выбирают повторяющийся узор с увеличенной трёхэлементной элементарной ячейкой, нарушая регулярную симметрию кристалла. В то же время спины не полностью замерзают: величина упорядоченного момента сильно уменьшена, что указывает на интенсивное квантовое движение, поддерживающее систему на грани между порядком и беспорядком.

Когда порядок и течение сосуществуют

Чтобы выяснить, является ли это беспокойное состояние сверхтвёрдым, группа изучила не только расположение спинов, но и их движение. С помощью высокочувствительной нейтронной спектроскопии они обнаружили, что система поддерживает широкие полосы магнитных возбуждений, а не резкие волны, ожидаемые в простом магните. При специальном волновом векторе, обусловленном треугольным узором, были одновременно зафиксированы два ключевых признака: модa, чья энергия спадает до нуля, и другая с очень малой, но конечной щелью. На языке симметрий эти особенности означают, что система одновременно нарушает непрерывную симметрию вращения спинов (аналогично сверхтекучему состоянию, способному течь без сопротивления) и дискретную трансляционную симметрию (аналогично кристаллу с периодическим распределением плотности). Вместе это два главных признака сверхтвёрдости в магнитном контексте.

Квантовая фазовая карта в магнитном поле

Приложение магнитного поля вдоль лёгкой оси спинов позволяет исследователям настраивать баланс между конкурирующими конфигурациями. Измерения теплоёмкости и намагниченности в широком диапазоне температур и полей выявляют подробную диаграмму фаз. При умеренных полях спины устраиваются в схему «вверх–вверх–вниз» на каждом треугольнике, что приводит к устойчивой плато, где намагниченность фиксируется на одной третьей от максимального значения. Этот фазовый переход ведёт себя так, как предсказывает известная двумерная модель Поттса, подтверждая, что исходные взаимодействия чрезвычайно близки к идеализированному теоретическому случаю. При более низких полях данные показывают, что система плавно переходит в низкопольную сверхтвёрдую область, где большие, но конечные корреляционные длины эффективно нарушают трёхподрешётчатую симметрию даже при нулевом поле.

Вторая сверхтвёрдая фаза близко к полной поляризации

Сюрпризы не заканчиваются при высоких полях. По мере приближения намагниченности к насыщению подробные измерения намагниченности и энтропии выявляют дополнительную фазу, вклинивающуюся между плато в одну треть и полностью выровненным состоянием. Теория для той же модели на треугольной решётке предсказывает, что в этом оконном диапазоне полей система снова проявляет сверхтвёрдое поведение: спины почти полностью выровнены, но небольшая их доля ещё может двигаться когерентно, давая смешанное состояние с одновременно жёстким узором и квантовым течением. Эксперимент согласуется с этими предсказаниями, включая резкий скачок, похожий на скачок первого порядка, ожидаемый при вхождении в это высокопольное сверхтвёрдое состояние. Анализ спектра спиновых волн в плато-фазе позволил команде также определить силу взаимодействий и показать, что существенное влияние оказывают лишь ближайшие соседи, делая K2Co(SeO3)2 необычно чистой реализацией идеальной модели.

Почему это важно для квантовых материалов

Для неспециалиста основная мысль такова: K2Co(SeO3)2 служит лабораторией для веществ, ведущих себя на первый взгляд противоречиво — одновременно как твёрдое тело и сверхтекучая среда. В этом магните положения спинов образуют повторяющийся узор, подобный атомам в кристалле, в то время как их квантовое движение остаётся делокализованным и когерентным, как в жидкости. Такое сочетание порождает сверхтвёрдые фазы, которые уже не просто теоретические курьёзы, а тщательно промапированные и исследованные с помощью мощных спектроскопических инструментов. Поскольку соответствующие энергетические шкалы значительно выше, чем у предыдущих кандидатов, этот материал позволяет проводить точные измерения и строгие проверки теории, делая его эталоном для понимания того, как квантовые флуктуации способны формировать совершенно новые состояния материи.

Цитирование: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

Ключевые слова: сверхтвёрдое, фрустрированная магнетизм, треугольная решётка, квантовая спиновая система, нейтронное рассеяние