Fysiker observerade en märklig ny typ av beteende i ett magnetiskt material när det värms upp. De magnetiska spinnen "fryser" till ett statiskt mönster när temperaturen stiger, ett fenomen som normalt uppstår när temperaturen sjunker. De publicerade sina fynd i Nature Physics den 4 juli.

Forskarna upptäckte fenomenet i materialet neodym, ett grundämne som de beskrev för flera år sedan som ett "självinducerat spinglas", Spin-glas är typiskt legeringar där järnatomer till exempel blandas slumpmässigt i ett rutnät av kopparatomer. Varje järnatom beter sig som en liten magnet, eller ett snurr. Dessa slumpmässigt placerade snurr pekar i alla möjliga riktningar.

Till skillnad från konventionella spinnglas, där det förekommer slumpmässig blandning av magnetiska material, är neodym ett grundämne och utan betydande mängder av något annat material, uppvisar det ett glasaktigt beteende i sin kristallina form. Snurren bildar mönster som virvlar som en helix, och denna virvling är slumpmässig och förändras ständigt.

Fast mönster vid uppvärmning

I denna nya studie upptäckte forskarna att när de värmde upp neodym från -268 C till -265 C, "fryser" spinnen till ett fast mönster som bildar en typ av magnet, vid den högre temperaturen. När materialet kyldes ner kom de slumpmässiga virvlande helixmönstren tillbaka. "Denna "frysning" av mönstret sker normalt inte i magnetiskt material, säger Alexander Khajetoorians, professor i skanningssondsmikroskopi vid Radboud University.

Temperaturen ökar energin i en fast, vätska eller gas. Detsamma gäller för en magnet:med högre temperatur börjar snurrarna skaka. "Det magnetiska beteendet i neodym som vi observerade är faktiskt motsatsen till vad som 'normalt' händer. Det är ganska kontraintuitivt, som vatten som blir en isbit när det värms upp", säger Khajetoorians.

Den här typen av fenomen finns inte ofta i naturen. Det är väldigt få material kända som beter sig på fel sätt. Ett annat välkänt exempel är Rochelle-saltet, där laddningar byggs upp och bildar ett ordnat mönster vid högre temperatur, där de vid lägre temperatur är slumpmässigt fördelade.

Så fungerar det

Den komplexa teoretiska beskrivningen av spinglasögon var föremål för Nobelpriset i fysik som tilldelades Parisi 2021. Att ta reda på hur dessa spinglasögon fungerar har också betydelse för andra vetenskapliga områden. "Om vi ​​i slutändan kan modellera hur dessa material beter sig kan detta också extrapoleras till beteendet hos en lång rad andra material."

Det underliggande udda beteendet var kopplat till begreppet degeneration:där många olika tillstånd har samma energi, och systemet blir frustrerat. Effekten av temperatur är att bryta denna situation:vissa tillstånd överlever, vilket gör att systemet tydligt kan sätta sig i ett mönster. Vi kanske också kan utnyttja detta beteende mot nya typer av informationslagring eller beräkningskoncept, såsom hjärnliknande datoranvändning. + Utforska vidare

Nytt "virvlande" tillstånd av materia upptäckt i ett element i det periodiska systemet