Amerikaanse natuurkundigen van de Yale University en het Los Alamos National Laboratory hebben een speciale metaallegering ontdekt, waarvan de eigenschappen op superfluïda lijken. Deze stof is een soort spinijs, waarin analogen van kwantumwervelingen verschijnen. Het artikel van wetenschappers is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.
Spinijs is een substantie waarin de oriëntatie van de magnetische momenten van geladen ionen lijkt op de rangschikking van waterstofatomen (protonen) in waterijs. Als water bevriest, zijn de atomen in de tetraëdrische cel van het kristal zo gerangschikt dat het zuurstofatoom van één watermolecuul omgeven is door vier protonen. In dit geval zijn twee protonen verder dan andere, omdat ze tot twee andere watermoleculen behoren. Evenzo zijn in spinijs de magnetische momenten van twee ionen naar binnen gericht van de tetraëder en de andere twee naar buiten. In wezen bestaat spinijs uit kleine nanomagneten.
Natuurkundigen hebben een soort spinijs bestudeerd dat wordt gevormd door het Shakti-rooster. Het maakt veel van dergelijke configuraties van magnetische momenten mogelijk waarop de interactie-energie in de cellen wordt geminimaliseerd. Sommige configuraties bevinden zich echter in een aangeslagen toestand en hun verschijning in spinijs is onvermijdelijk. Als gevolg hiervan treedt geometrische frustratie op - een fenomeen waarbij het hele systeem niet volledig kan worden bevroren (zelfs niet bij het absolute nulpunt), omdat het geen enkele basistoestand heeft. Dit gedrag is typisch voor alle spin-ijsjes.
Tijdens de studie voerden de wetenschappers spinijsfoto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM) uit, gemaakt van permalloy, een legering van ijzer en nikkel (Ni81Fe19). Bestraling van het monster met röntgenstralen maakte het mogelijk om veranderingen in de magnetische momenten die optreden bij afnemende temperatuur vast te leggen. Het spinijsmonster werd eerst afgekoeld van 290 Kelvin (K) tot 220 K, en vervolgens tot 180 K en lager (1 K komt overeen met -272,15 graden Celsius).
Hoewel andere soorten spinijs hun roosters opnieuw opbouwen met afnemende temperatuur om de laagst mogelijke energietoestand te bereiken, bleek dat het Shakti-rooster op een bepaald niveau "vastloopt". Dit gebeurt zelfs als een grootschalige herstructurering van het systeem de energie zou kunnen minimaliseren. Volgens de conclusies van natuurkundigen geeft dit aan dat dit spinijs een globale topologische orde heeft, en excitaties topologisch beschermd zijn tegen verstrooiing en lange tijd aanhouden.
Topologisch geordende fasen zijn eerder beschreven voor kwantummechanische systemen die verschillende toestanden kunnen aannemen met dezelfde energie (gedegenereerde toestanden). Met andere woorden, stabiele excitaties in het Shakti-rooster lijken in zekere zin op kwantumwervelingen in supervloeistoffen, die ook topologisch beschermd zijn vanwege de degeneratie van de grondtoestanden.
