物理学家发现了钕元素的反常热诱导磁序特性

2022年07月05日 14:17 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在 2022 年 7 月 4 日发表于《自然·物理学》期刊上的一篇文章中,科学家们介绍了玻璃态钕元素的热诱导磁序(thermally induced magnetic order)特性。拉德堡大学(Radboud University)扫描探针显微镜学教授 Alexander Khajetoorians 表示:“这种现象很是反直觉,就像给水加热却形成了冰块”。

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(图自:Radboud University)

SCI Tech Daily 指出:在较低的温度下,材料中的自旋会形成随机图案。其中每个图案都像螺旋一样旋转,带有特定的扭曲。

但在加热材料后,自旋会选择一种特定的螺旋图案。这种现象通常在磁性材料的温度降低时发生,因而很是违反科学家们的直觉。

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研究配图 - 1:Nd(0001)在 5K 温度时的 Spin-Q 玻璃态

据悉,钕(Nd)元素与传统的旋转玻璃态物质不一样,其中混有随机的磁性材料,可在结晶形式中表现出玻璃状行为。自旋形成类似螺旋的图案,是随机且不断变化的。

几年前,科学家们将之称作“自诱导自旋玻璃”。通常可在合金材料上看到,比如铁原子随机分散到了铜原子网格中、且旋转指向了不同的方向。

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研究配图 - 2:高温下从自旋 Q 玻璃态出现长程多 Q 级

在这项新研究中,物理学家发现,当他们将钕从 -268 °C 加热到 -265 °C(-450 °F 到 -445 °F)时,自旋反而会“冻结”成固体图案,在较高温度下形成了一种磁铁!

当冷却材料时,随机旋转的螺旋图案又回来了。Alexander Khajetoorians 教授表示:“这种‘冻结’模式通常不会在磁性材料上出现”。

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研究配图 - 3:多 Q 磁跃迁和 Tɢ 提取

按照常理,温度会增加固体、液体或气体中的能量。磁铁也是如此 —— 随着温度的升高,自旋会开始摇摆。然而在钕材料上看到的磁性行为,却与正常状况相反。

这类情况在自然界中相当罕见,很少有已知材料会表现出“错误”的模式。另一个知名的例子,就是电荷可在较高温度下积累并形成有序图案、较低温度下又随机分布的罗谢尔盐。

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研究配图 - 4:原子自旋动力学模拟。

值得一提的是,对自旋玻璃态的复杂理论描述,也是 Parisi 在 2021 年被授予的诺贝尔物理学奖的一个主题。

此外弄清其工作原理,对于其它科学领域也非常重要。假如我们最终可对这些材料的行为进行建模,那也可以外推到各种其它材料的行为。

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最后,有关这项研究的详情,还请移步至 2022 年 7 月 4 日出版的《Nature Physics》期刊上查看(PDF)。

原标题为《Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium》。

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