Физики построили первую экспериментальную систему, где главное правило спинового льда работает в обратном направлении. Вместо стремления к минимальному локальному заряду, частицы собираются в конфигурации с максимально возможным зарядом. Когда геометрия решётки усложняется, попытка достичь идеального порядка рождает устойчивый беспорядок.

Исследователи из Барселонского университета и Лос-Аламосской национальной лаборатории создали антиспиновый лёд из микроскопических парамагнитных частиц, расположенных в двумерной искусственной решётке. Система работает без замёрзшей воды и обычных магнитных атомов.

Название "спиновый лёд" возникло из аналогии с кристаллом водяного льда. В обычном льду расположение молекул подчиняется правилу, похожему на принцип, действующий в магнитных системах. В квадратном спиновом льде у каждого узла два условных спина направлены внутрь, два — наружу, что минимизирует локальный топологический заряд.

В новом эксперименте роль спинов играют положения коллоидных частиц диаметром 2,8 мкм. Каждая частица находится в микроскопической ловушке и может смещаться к одному из двух концов. Положение ближе к узлу решётки соответствует направлению внутрь, дальше — наружу. Это псевдоспины, а не квантовый спин самой частицы.

Топологический заряд здесь описывает соотношение между псевдоспинами, направленными к узлу и от него. Обычный спиновый лёд минимизирует это значение. Антиспиновый лёд предпочитает противоположное.

Ключевое изменение касалось взаимодействия между частицами. Раньше в коллоидном спиновом льде они отталкивались друг от друга. Теперь исследователи заставили парамагнитные частицы притягиваться с помощью быстро вращающегося магнитного поля в плоскости решётки. Усреднённое магнитное взаимодействие становится притягивающим независимо от ориентации между двумя частицами.

Сначала физики проверили принцип на двух свободных коллоидах. При вращении поля с частотой 50 Гц частицы сближались, и измеренное движение совпадало с моделью магнитного дипольного взаимодействия.

На квадратной и сотовой решётках смена отталкивания на притяжение полностью переустроила выгодные конфигурации. Система начала формировать узлы с максимальным зарядом вместо минимального. В пределе все псевдоспины возле одного узла направлены внутрь, возле соседнего — наружу. Положительные и отрицательные топологические заряды чередуются, образуя упорядоченный зарядовый кристалл.

Результат на сотовой решётке особенно показателен. Обычный спиновый лёд такой геометрии не может полностью избавиться от локального заряда. После обращения взаимодействия система получила упорядоченное основное состояние с чередованием максимально заряженных узлов. Простая смена знака взаимодействия между частицами меняет не только энергию отдельных конфигураций, но и характер порядка во всей системе.

Самая необычная картина возникла в пентагептитовой решётке, состоящей из пятиугольников и семиугольников. Замкнутые контуры содержат нечётное число связей. Идеально чередовать положительные и отрицательные максимальные заряды по всей решётке при такой геометрии невозможно.

Каждый узел стремится увеличить собственный заряд, но соседние узлы препятствуют выполнению этого правила одновременно во всей структуре. Часть узлов неизбежно остаётся в состояниях с меньшим зарядом. Усиление магнитного притяжения не устраняет такие участки, так как причина кроется в геометрии решётки, а не в силе взаимодействия.

Авторы называют возникший режим фрустрацией топологического заряда. При обычной геометрической фрустрации конфликт между локальными правилами мешает системе минимизировать энергию всех участков сразу. В антиспиновом льду конфликт возникает при попытке максимизировать локальные заряды и выстроить их в глобально согласованную структуру.

Эксперимент показывает, что фрустрацию можно создавать не только выбором формы решётки, но и изменением характера взаимодействия между элементами. Управляемые коллоидные системы позволяют менять силу магнитного притяжения во время опыта, поэтому физикам не нужно изготавливать отдельный образец для каждого режима.

Практического применения пока нет. Результат значим для фундаментальной физики сложных систем. Антиспиновый лёд служит экспериментальной платформой для изучения переходов между порядком и фрустрацией, движения топологических зарядов и программируемых классических топологических состояний.