Магнитная революция: найден металл, который меняет правила электричества

Квантовые металлы — это особая категория материалов, где микромасштабные эффекты, обычно заметные лишь на уровне атомов, начинают доминировать над общими электрическими характеристиками.

В них поведение зарядов подчиняется правилам, выходящим за рамки классической физики.

Японские физики разобрались в том, как ток перемещается в группе таких веществ — кагоме-металлах. Их работа впервые демонстрирует, как минимальные магнитные воздействия способны инвертировать слабые электрические импульсы. Это приводит к чередованию свойств вещества и упрощает направленность потока — явление, схожее с диодным, когда движение зарядов облегчается в одном направлении.

Особенно впечатляет, что геометрические квантовые взаимодействия усиливают такое переключение примерно в сотню раз. Статья в Proceedings of the National Academy of Sciences закладывает основу для создания устройств, управляемых простыми магнитами, — от сенсоров до процессоров.

Аномалию магнитного инвертирования заметили в опытах еще в 2020-м, но причины и масштаб оставались загадкой. Нынешний анализ предлагает первую модель, объясняющую оба аспекта.

Термин "кагоме-металл" заимствован из японского языка: "кагоме" обозначает узор, напоминающий плетение корзины из бамбука — сетку из пересекающихся треугольников. Именно такая атомная решетка провоцирует "геометрическую фрустрацию": электроны не укладываются в упорядоченные схемы и переходят к запутанным квантовым конфигурациям с петлевыми токами.

Когда эти внутренние вихри меняют вектор, свойства проводимости трансформируются. Авторы доказали: петли и колеблющиеся плотности зарядов (волновые структуры) совместно разрушают базовые симметрии в устройстве материала. Квантовые геометрические особенности — редкие аномалии на субатомном уровне — многократно амплифицируют сдвиг.

Хироси Контани, ведущий автор и преподаватель Высшей школы естественных наук Университета Нагои, вспоминал, что каждое наблюдение магнитного сдвига намекало на нечто экстраординарное, но механизм ускользал. По его словам, кагоме-структуры встроены как естественные бустеры, где квантовые проявления выходят на передний план по сравнению с обычными сплавами. Комбинация решетки и динамики электронов позволяет ломать физические симметрии спонтанно — феномен, редкий в природе, и именно он объясняет мощь эффекта.

Эксперимент подразумевал замораживание образцов до минус 190 градусов Цельсия. На таком холоде кагоме-материалы спонтанно формируют квантовые фазы: заряды выстраивают цикличные потоки и генерируют волновидные узоры по всему объему. При введении слабых полей векторы вихрей инвертируются, что меняет предпочтительное направление проводимости.

Прорыв стал возможен недавно: кагоме-металлы открыли около 2020-го. Хотя аномалии проводимости выявили оперативно, их суть дразнила. Квантовые связи запутанны, требуя глубокого разбора взаимодействия вихрей, геометрии и полей — инсайты, накопленные за последние годы. Такие явления гиперчувствительны к примесям, деформациям и внешним факторам, усложняя диагностику.