Если вы переключите бит в памяти компьютера, а затем снова включите его, вы восстановите исходное состояние. Есть только два состояния, которые можно назвать «0 и 1».

Однако теперь в Венском техническом университете (Вена) был обнаружен удивительный эффект: в кристалле на основе оксидов гадолиния и марганца был обнаружен атомный переключатель, который нужно переключать туда и обратно не один, а два раза, пока исходный состояние достигается снова. Во время этого двойного процесса включения и выключения спин атомов гадолиния совершает один полный оборот. Это напоминает коленчатый вал, в котором движение вверх-вниз преобразуется в движение по кругу.

Это новое явление открывает интересные возможности в физике материалов. В таких системах можно было хранить даже информацию. Странный атомный переключатель был представлен в научном журнале Nature .

Связь электрических и магнитных свойств

Обычно различают электрические и магнитные свойства материалов. Электрические свойства основаны на том факте, что носители заряда движутся — например, электроны, которые проходят через металл, или ионы, положение которых смещено.

Магнитные свойства, с другой стороны, тесно связаны со вращением атомов — собственным угловым моментом частицы, который может указывать в очень определенном направлении, подобно тому, как ось вращения Земли указывает очень определенное направление.

Однако существуют материалы, в которых электрические и магнитные явления очень тесно связаны. Профессор Андрей Пименов и его команда из Института физики твердого тела Технического университета Вены исследуют такие материалы. «Мы воздействовали на специальный материал из гадолиния, марганца и кислорода магнитным полем и измеряли, как при этом менялась его электрическая поляризация », — говорит Андрей Пименов. «Мы хотели проанализировать, как электрические свойства материала могут изменяться под действием магнетизма. И, что удивительно, мы столкнулись с совершенно непредвиденным поведением».

Вернуться к началу за четыре шага

В начале материал электрически поляризован — с одной стороны он заряжен положительно, с другой — отрицательно. Затем вы включаете сильное магнитное поле — и поляризация меняется очень мало. Однако, если затем снова выключить магнитное поле, становятся очевидными драматические изменения: внезапно поляризация меняется на противоположную: сторона, которая раньше была положительно заряжена, теперь заряжена отрицательно, и наоборот.

Теперь вы можете повторить тот же процесс во второй раз: снова вы включаете магнитное поле, и электрическая поляризация остается приблизительно постоянной. Если вы выключите магнитное поле, поляризация снова изменится и, таким образом, вернется в исходное состояние.

«Это чрезвычайно примечательно, — говорит Андрей Пименов. «Мы выполняем четыре разных шага, каждый раз, когда материал меняет свои внутренние свойства, но поляризация меняется только дважды, поэтому вы достигаете исходного состояния только после четвертого шага».

Четырехтактный двигатель на гадолинии

Более пристальный взгляд показывает, что за такое поведение ответственны атомы гадолиния: они меняют направление своего вращения на каждом из четырех шагов, каждый раз на 90 градусов. «В каком-то смысле это четырехтактный двигатель для атомов, — говорит Андрей Пименов. «В четырехтактном двигателе также требуется четыре шага, чтобы вернуться в начальное состояние, и цилиндр при этом дважды перемещается вверх и вниз. В нашем случае магнитное поле дважды перемещается вверх и вниз перед начальным состоянием . восстанавливается, и спин атомов гадолиния снова указывает в исходном направлении».

Теоретически такие материалы можно было бы использовать для хранения информации: система с четырьмя возможными состояниями будет иметь емкость хранения два бита на переключатель вместо обычного одного бита информации для «0» или «1». Но эффект также особенно интересен для сенсорной техники: например, таким образом можно создать счетчик магнитных импульсов. Этот эффект дает важные новые данные для теоретических исследований : это еще один пример так называемого «топологического эффекта», класса материальных эффектов, который уже много лет привлекает большое внимание в физике твердого тела и должен способствовать развитию научных исследований.