Magnetiske spins, der fryser ved opvarmning

Fysikere observerede en mærkelig ny type adfærd i et magnetisk materiale, når det varmes op. De magnetiske spins "fryser" ind i et statisk mønster, når temperaturen stiger, et fænomen, der normalt opstår, når temperaturen falder. De offentliggjorde deres resultater i Nature Physics den 4. juli.

Forskerne opdagede fænomenet i materialet neodym, et grundstof, som de for flere år siden beskrev som et "selv-induceret spinglas", Spin-glas er typisk legeringer, hvor jernatomer for eksempel er tilfældigt blandet ind i et gitter af kobberatomer. Hvert jernatom opfører sig som en lille magnet eller et spin. Disse tilfældigt placerede spins peger i alle mulige retninger.

I modsætning til konventionelle spin-briller, hvor der er tilfældig blanding af magnetiske materialer, er neodym et grundstof og uden væsentlige mængder af noget andet materiale, viser den glasagtig adfærd i sin krystallinske form. Spindene danner mønstre, der hvirvler som en helix, og denne hvirvling er tilfældig og ændrer sig konstant.

Ensartet mønster ved opvarmning

I denne nye undersøgelse opdagede forskerne, at når de varmede neodym op fra -268 C til -265 C, "fryser" spindene til et fast mønster, der danner en type magnet, ved den højere temperatur. Ved nedkøling af materialet kom de tilfældige hvirvlende helixmønstre tilbage. "Denne 'frysning' af mønsteret forekommer normalt ikke i magnetisk materiale," siger Alexander Khajetoorians, professor i scanningprobemikroskopi ved Radboud Universitet.

Temperatur øger energien i et fast stof, væske eller gas. Det samme gælder for en magnet:med højere temperatur begynder spins at ryste. "Den magnetiske adfærd i neodym, som vi observerede, er faktisk det modsatte af, hvad der 'normalt' sker. Det er ret kontraintuitivt, ligesom vand, der bliver en isterning, når det varmes op," siger Khajetoorians.

Den slags fænomener findes ikke ofte i naturen. Der er meget få materialer kendt, som opfører sig på den forkerte måde. Et andet velkendt eksempel er Rochelle-saltet, hvor ladninger opbygges og danner et ordnet mønster ved højere temperatur, hvor de ved lavere temperatur er tilfældigt fordelt.

Sådan fungerer det

Den komplekse teoretiske beskrivelse af spin-briller var emnet for Nobelprisen i fysik, der blev tildelt Parisi i 2021. At finde ud af, hvordan disse spin-briller fungerer, har også betydning for andre videnskabelige områder. "Hvis vi i sidste ende kan modellere, hvordan disse materialer opfører sig, kan dette også ekstrapoleres til opførselen af ​​en lang række andre materialer."

Den underliggende mærkelige adfærd var forbundet med begrebet degeneration:hvor mange forskellige tilstande har den samme energi, og systemet bliver frustreret. Effekten af ​​temperatur er at bryde denne knibe:visse tilstande overlever, hvilket gør det muligt for systemet tydeligt at slå sig ned i ét mønster. Vi er muligvis også i stand til at udnytte denne adfærd mod nye typer informationslagring eller beregningskoncepter, såsom hjernelignende databehandling. + Udforsk yderligere

Ny 'hvirvlende' tilstand af stof opdaget i et element i det periodiske system