此圖展示了“半冰半火”和“半火半冰”相態(tài)的圖形解釋(左)。圖(右)顯示了磁場(chǎng)(h)與溫度(T)平面的磁熵變化。零溫度下的黑點(diǎn)表示“半火半冰”相態(tài)出現(xiàn)的位置。虛線表示“半冰半火”相態(tài)隱藏的位置。圖片來源:美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

據(jù)美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)25日消息,物理學(xué)家在研究亞鐵磁材料的一維模型時(shí),發(fā)現(xiàn)了一種“半冰半火”的物質(zhì)新相態(tài),并成功用數(shù)學(xué)模型予以闡釋。這一突破填補(bǔ)了凝聚態(tài)物理學(xué)的認(rèn)知空白,可能會(huì)給量子計(jì)算和自旋電子學(xué)等技術(shù)帶來巨大進(jìn)步。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《物理評(píng)論快報(bào)》。

新發(fā)現(xiàn)的相態(tài)是電子自旋的一種前所未見的模式,每個(gè)電子都攜帶著微小的“向上”和“向下”的磁矩。它由高度有序的“冷”自旋和高度無序的“熱”自旋組合而成,因此被稱為“半冰半火”。

“半冰半火”之所以引人注目,不僅因?yàn)樗鼜奈幢挥^測(cè)到,還因?yàn)樗茉诤侠淼挠邢逌囟认?驅(qū)動(dòng)材料內(nèi)部相態(tài)之間發(fā)生極其迅速的切換。

研究人員表示,發(fā)現(xiàn)具有奇異物理性質(zhì)的新狀態(tài),并能夠理解和控制這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變,是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的核心問題。

這項(xiàng)研究可追溯至2012年,研究人員當(dāng)時(shí)正在研究鍶銅銥氧化物。直到2016年,他們首次發(fā)現(xiàn)了“半火半冰”的奇異相態(tài):銅原子上的自旋像火苗般無序地跳躍,而銥原子的自旋卻如寒冰般穩(wěn)定地冷卻。同一材料,同一溫度,不同位置上的電子卻像處在完全不同的世界。

當(dāng)時(shí)的理論模型顯示,這種相態(tài)在有限溫度下本應(yīng)無法存在。直到最近,研究人員通過建立新數(shù)學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)在超窄溫度區(qū)間內(nèi)架起“橋梁”,讓看似不可能的相態(tài)轉(zhuǎn)變成為可能。

新發(fā)現(xiàn)的“半冰半火”相態(tài),實(shí)質(zhì)是“半火半冰”的孿生狀態(tài)。“半火半冰”中的熱自旋和冷自旋的位置發(fā)生了切換,也就是說,熱自旋變冷,冷自旋變熱,就成了“半冰半火”相態(tài)。

模型表明,相態(tài)之間的切換發(fā)生在超窄溫度范圍內(nèi),研究人員提出了未來可能利用這一現(xiàn)象的方法。例如,“半火半冰”所提供的具有巨大磁熵變化的超銳相切換可用于制冷技術(shù)。這一現(xiàn)象還可作為新型量子信息存儲(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ),其中相態(tài)可充當(dāng)比特。