Amerykańscy fizycy z Yale University i Los Alamos National Laboratory odkryli specjalny stop metalu, którego właściwości przypominają nadcieki. Substancja ta jest rodzajem lodu spinowego, wewnątrz którego pojawiają się analogi wirów kwantowych. Artykuł naukowców został opublikowany w czasopiśmie Nature Physics.
Lód wirowy to substancja, w której orientacja momentów magnetycznych naładowanych jonów przypomina rozmieszczenie atomów wodoru (protonów) w lodzie wodnym. Kiedy woda zamarza, atomy wewnątrz tetraedrycznej komórki kryształu są ułożone w taki sposób, że atom tlenu jednej cząsteczki wody jest otoczony czterema protonami. W tym przypadku dwa protony są dalej niż inne, ponieważ należą do dwóch innych cząsteczek wody. Podobnie w lodzie spinowym momenty magnetyczne dwóch jonów są skierowane do wewnątrz czworościanu, a dwa pozostałe - na zewnątrz. Zasadniczo lód spinowy składa się z maleńkich nanomagnesów.
Fizycy zbadali rodzaj lodu spinowego utworzonego przez sieć Shakti. Pozwala na wiele takich konfiguracji momentów magnetycznych, w których energia interakcji w komórkach jest zminimalizowana. Jednak niektóre konfiguracje są w stanie wzbudzonym i ich pojawienie się w lodzie spinowym jest nieuniknione. W rezultacie dochodzi do frustracji geometrycznej - zjawiska, w którym całego układu nie można całkowicie zamrozić (nawet przy zera absolutnego), ponieważ nie ma on ani jednego stanu podstawowego. To zachowanie jest typowe dla wszystkich lodów spinowych.
W trakcie badań naukowcy wykonali fotoemisyjną mikroskopię elektronową w lodzie spinowym (PEEM) wykonaną z permalojów, stopu żelaza i niklu (Ni81Fe19). Naświetlanie próbki promieniami rentgenowskimi umożliwiło rejestrację zmian momentów magnetycznych, które zachodzą wraz ze spadkiem temperatury. Próbkę lodu wirowego najpierw schłodzono od 290 kelwinów (K) do 220 K, a następnie do 180 K i poniżej (1 K odpowiada -272,15 stopni Celsjusza).
Chociaż inne rodzaje lodu spinowego odbudowują swoje sieci wraz ze spadkiem temperatury, aby osiągnąć najniższy możliwy stan energetyczny, okazało się, że sieć Shakti „utknęła” na pewnym poziomie. Dzieje się tak, nawet jeśli restrukturyzacja systemu na dużą skalę mogłaby zminimalizować zużycie energii. Zgodnie z wnioskami fizyków wskazuje to, że ten lód spinowy ma globalny porządek topologiczny, a wzbudzenia są topologicznie chronione przed rozpraszaniem i utrzymują się przez długi czas.
Fazy uporządkowane topologicznie zostały wcześniej opisane dla układów mechaniki kwantowej, które mogą przyjmować różne stany z tą samą energią (stany zdegenerowane). Innymi słowy, stabilne wzbudzenia w sieci Shakti w pewnym sensie przypominają wiry kwantowe w nadciekach, które są również chronione topologicznie z powodu degeneracji stanów podstawowych.