Термин спиновое стекло используется для описания такого состояния вещества, когда оси магнетиков «замораживаются» в виде структуры с неупорядоченными ориентациями частиц при температуре ниже некоторого критического значения. Эта критическая температура близка к абсолютному нулю. Термин «спиновое стекло» выбран по аналогии с физическим стеклом, под которым понимается почти твёрдое вещество с молекулами, замороженными в виде структуры с неупорядоченным расположением частиц (рис.1).

Замороженная структура с неупорядоченными ориентациями частиц в спиновом стекле обладает свойствами, принципиально отличающимися от типичного ферромагнетизма и так далее, для которых характерно упорядочение направлений осей магнетонов под влиянием обменных сил, и от парамагнетизма, для которого неупорядоченность имеет динамический характер. Спиновое стекло можно представить себе как замороженную парамагнитную структуру. Температура Кондо соответствует границе раздела, ниже которой образуется спиновое стекло, а выше появляется парамагнетизм.

Образование спинового стекла наблюдается у некоторых сплавов, когда магнитное вещество в качестве примеси растворено в основном немагнитном веществе. В этих сплавах взаимодействия между магнетонами фактически имеют место, однако они слишком слабы, так как магнетоны отделены один от другого веществом-растворителем. Здесь свойства спинового стекла проявляются как совместное поведение магнетонов примеси.

Миктомагнетизм – это ещё одно явление, происходящее в спиновом стекле некоторых типов, когда столкновения магнетонов замораживаются в виде упорядоченных ферромагнитных структур. Эти столкновения различаются по своим размерам и по направлению магнетонов, они распределены более или менее случайным образом по объёму вещества, заполненному в основном магнетонами спинового стекла по случайно распределённым ориентациям.

Состояние спинового стекла впервые было зафиксировано на сплавах. Типичные спиновые стекла представляют собой разбавленные магнитные сплавы Cu-Mn, Ag-Mn или Au-Fe, в которых магнитные моменты 3d-элементов взаимодействуют через дальнодействующее обменное взаимодействие. В металлах такое взаимодействие осуществляется через посредство электронов проводимости. Энергия этого взаимодействия описывается выражением:

где V₀ – некоторая константа вещества, определяемая его электронной структурой, kF – максимальный импульс электронов проводимости при Т = 0 К (импульс Ферми),
r – расстояние между взаимодействующими атомами магнитной примеси.

Очевидно, энергия W является осциллирующей знакопеременной функцией расстояния r. Это означает, что изменение расстояния между магнитными атомами может привести к изменению знака обменного взаимодействия. Так как магнитные примеси в сплаве распределены хаотично, в системе имеет место случайное распределение величин и знаков обменных взаимодействий, то есть возникают условия для формирования состояния спинового стекла.
Атомный беспорядок и конкуренция обменных взаимодействий могут возникать и в системах без электронов проводимости. Примером такой системы является твердый раствор Со(S – хSe_х)₂ со структурой пирита. Атомы кобальта занимают узлы гранецентрированной кубической решетки, а пары ионов серы или селена расположены между ионами кобальта. Обменное взаимодействие атомов кобальта через посредство атомов серы оказывается ферромагнитным, в то время как в случае их взаимодействия через посредство атомов селена обмен оказывается антиферромагнитным. Беспорядочное распределение атомов селена и серы в кристаллической решетке и конкуренция обменных взаимодействий приводят к тому, что для составов с 0,12 < < x < 0,4 система находится в состоянии типа спинового стекла.

Очевидно, что аморфные магнетики также могут находиться в состоянии спинового стекла из-за наличия атомного беспорядка и возможной конкуренции обменных взаимодействий. Экспериментальные исследования показали, что все спиновые стекла независимо от их типа характеризуются некоторым специфическим набором свойств , отличающих их от других магнетиков.
Отличительной чертой поведения спинового стекла является наличие резкого излома на температурной зависимости магнитной восприимчивости М(Т), измеренной при малых магнитных полях (порядка 1 Э) и низких частотах (порядка сотен герц). Рассматривая такую зависимость для сплава AuFe. Видно, что температура Т_f , при которой наблюдается этот излом, возрастает с увеличением в сплаве концентрации железа. Другой важной чертой поведения восприимчивости является ее сильная зависимость от величины магнитного поля, в котором она измеряется (рис.3). Излом восприимчивости размывается уже в слабых магнитных полях: достаточно приложить поле порядка 100 Э, чтобы излом превратить в размытый максимум. Температура Т_f  зависит от частоты переменного магнитного поля, в котором восприимчивость измеряется, то есть от времени измерения. Она уменьшается с уменьшением частоты по логарифмическому закону вплоть до очень низких частот порядка 0,01 Гц, то есть до макроскопически больших времен порядка минут. И только при еще больших временах наблюдения прекращается изменение Т_f . Такое поведение магнитной восприимчивости свидетельствует о медленных процессах установления равновесия в спиновом стекле. Они являются результатом существования там большого числа вырожденных или метастабильных состояний, разделенных энергетическими барьерами. Макроскопически большие времена релаксации возможны при условии, что эти барьеры при достаточно низких температурах практически бесконечно высоки.

Для спиновых стекол характерно, что магнитный момент, наведенный в спиновом стекле внешним магнитным полем, зависит не только от величины поля, но также от предыстории образца. Величина момента зависит от того, как охлаждался образец. Процесс установления магнитного момента при приложении поля к образцу, охлажденному в нулевом поле, или при изменении поля состоит из двух этапов. Сначала момент скачком возрастает до некоторого значения М_о , затем происходит рост со временем t по логарифмическому закону:

Коэффициент А называют коэффициентом магнитного последействия. После выключения поля момент скачком уменьшается на ту же величину, а затем падает медленно по логарифмическому закону. Явление зависимости магнитного момента от времени называют магнитной вязкостью.

Принципиально важное значение для понимания свойств спинового стекла имеет вопрос о том, является ли переход при температуре Т_f в состояние спинового стекла обычным термодинамическим фазовым переходом, подобным, скажем, фазовому переходу жидкость – кристалл. Возможно, что состояние спинового стекла – это состояние с резко замедленной спиновой динамикой, то есть состояние типа аморфного вещества, а переход парамагнетик – спиновое стекло подобен переходу жидкости в твердое стеклообразное состояние просто путем увеличения вязкости системы.

Классическим методом изучения этого вопроса является измерение температурной зависимости теплоемкости вещества. Типичный результат измерения магнитной составляющей теплоемкости спинового стекла представляет собой линейную зависимость магнитной части теплоемкости от температуры в области низких температур и наличие плавного максимума при температуре Т = Т_f . Напомним, что обычным подтверждением термодинамического фазового перехода является не плавный максимум, а резкая особенность теплоемкости. Линейная же зависимость теплоемкости от температуры подтверждает, что основное состояние спинового стекла сильно вырождено.
 

Свойства спинового стекла поняты далеко не полностью. Однако ясно, что спиновые стекла – это системы с вырожденным основным состоянием, причем энергетические барьеры между различными основными состояниями очень сильно растут при понижении температуры, так что система становится практически неэргодичной. Понимание природы магнитного состояния и магнитных свойств спинового стекла важно для развития фундаментальной физики. Кроме того, такое понимание может привести к новым применениям спиновых стекол. Например, имеется аналогия между набором почти вырожденных метастабильных низколежащих состояний охлажденных спиновых стекол и функцией человеческой памяти.

Сложное конфигурационное пространство спиновых стекол можно использовать для запоминания и обработки информации, а именно, даже в простых моделях возможно обучение и распознавание образов с помощью модификации сети взаимодействий в этих системах. Такая память нелокальна (в отличие от памяти ЭВМ) и весьма нечувствительна к дефектам. Даже «зашумленные» образы распознаются довольно быстро. Общие вычислительные свойства таких моделей принципиально отличны от свойств обычных ЭВМ. Не так давно Хопфилд 4 предположил, что такие системы могут служить простейшими моделями нейронных сетей. В таком случае состояние отдельного нейрона моделируется значением спина в данном узле, а магнитные взаимодействия служат синапсами, связывающими нейроны.

Подстройка нейрона под потенциал связанных с ним соседей отвечает при этом релаксации магнитной энергии при нулевой температуре.

 

Среди многих типов магнитоупорядоченных вешеств особое место принадлежит так называемым спиновым стеклам. Термин этот был введен английским физиком Коулсом примерно 25 лет тому назад. Обоснованием этого термина служит тот факт, что ориентация элементарных магнитных моментов атомов спинового стекла в области температур ниже некоторой величины Т_f (индекс от англ. freezing — замерзание) не имеет ни¬какой пространственной периодичности. Она меняется в пространстве случайным образом подобно тому, как случайно расположены атомы в обычном стекле. В отличие от парамагнетиков, где элементарные магнитные моменты флуктуируют во времени, спиновые стекла характеризуются наличием "замороженных" магнитных моментов. Это означает, что атомные магнитные моменты имеют ненулевые средние (по времени) векторные величины. Последнее подтверждают исследования эффекта Мёссбауэра, которые показывают наличие эффективных магнитных полей, действуюших на магнитные атомы. Другими словами, картину стационарного распределения атомных магнитных моментов в спиновом стекле можно представить как мгновенную фотографию магнитных моментов парамагнетика. Многочисленные исследования, проведенные к настоящему времени, свидетельствуют, что универсапьной причиной возникновения состояния спинового стекла является сочетание атомного беспорядка и конкуренции обменных взаимодействий. Следовательно, изучение состояния спинового стекла — часть общей проблемы изучения атомно-неупорядоченных магнетиков, то есть веществ, в которых атомный беспорядок есть следствие случайного распределения атомов различного сорта (химический беспорядок) или неупорядоченного расположения в пространстве атомов одного сорта (стеклообразное или аморфное состояние).

Физика атомно-неупорядоченных систем развива¬ется в последние два десятилетия очень бурно, что свя¬зано с самой логикой развития фундаментапьных и прикладных исследований в физике твердого тела. Действительно, современная физика твердого тела — это преимущественно физика кристаллов. Наличие правильной кристаллической решетки позволило создать изящный математический аппарат теории. Естественно стремление к построению физики более сложных систем типа аморфньк тел и полимеров. Изобших соображений мы вправе ожидать, что отсутствие атомного порядка может привести к важным и нетривиальным последствиям. Перспективы технических применений связаны с возможностью создания качественно новых веществ, что ярко иллюстрируется, например, созданием уникальных по магнитным характеристикам аморфных магнетиков.

Накоплеенный к настоящему времени богатый экспериментальный материал показывает, что спиновое стекло —новое магнитное состояние вещества с особыми свойствами. Во многом это обусловлено невыполнением в этой уникальной системе принципа эргодичности, лежащего в основе статистической механики. Невыполнение указанного принципа означает несовпадение результатов усреднения физических параметров системы по времени и ансамблю.