钕在较高温度下“冻结”

研究人员在一种磁性材料被加热时观察到一种奇怪的新型行为。当温度上升时，这种材料中的磁性自旋“冻结”成一种静态模式，这种现象通常在温度下降时发生。研究人员在《自然物理》杂志上发表了他们的研究结果。

研究人员在钕材料中发现了这种现象，几年前他们将这种元素描述为“自诱导自旋玻璃”。自旋玻璃通常是金属合金，例如，铁原子随机混合到铜原子网格中。每个铁原子都像一个小磁铁，或自旋。这些随机放置的自旋指向各种方向。

与由磁性材料随机混合而成的传统自旋玻璃不同，钕是一种元素。在没有任何其他物质的情况下，它以晶体形式表现出玻璃化的行为。旋转形成了像螺旋一样旋转的图案，这种旋转是随机的，不断变化的。

在这项新研究中，研究人员发现，当他们将钕从-268°C加热到-265°C时，它的自旋“冻结”成一种固体图案，在更高的温度下形成一种磁铁。当冷却材料时，随机旋转的螺旋图案又回来了。

“这种模式的‘冻结’通常不会发生在磁性材料中，”荷兰奈梅亨大学(RadboudUniversity)的扫描探针显微镜教授Alexander Khajetoorians说。

较高的温度会增加固体、液体或气体中的能量。同样的道理也适用于磁铁：在更高的温度下，旋转通常会开始抖动。

Khajetoorians说：“我们观察到的钕的磁性行为实际上与‘正常’发生的情况相反。”“这是相当违反直觉的，就像水加热时会变成冰块一样。”

这种违反直觉的现象在自然界中并不常见——已知很少有材料会以错误的方式表现出来。另一个众所周知的例子是罗谢尔盐：它的电荷在较高的温度下形成有序的模式，但在较低的温度下则随机分布。

自旋玻璃的复杂理论描述是2021年诺贝尔物理学奖的主题。弄清楚这些自旋眼镜的工作原理对其他科学领域也很重要。

Khajetoorians说：“如果我们最终可以模拟这些材料的行为，这也可以推断出其他大量材料的行为。”

潜在的古怪行为与简并的概念有关：许多不同的状态具有相同的能量，系统变得沮丧。温度可以改变这种情况：只有特定的状态存在，允许系统明确地进入一种模式。

这种奇怪的行为可能会被用于新型的信息存储或计算概念，比如类脑计算。