新模型闡釋磁性材料“半冰半火”相態

科技日報北京3月27日電 （記者張佳欣）據美國能源部布魯克海文國家實驗室官網25日消息，物理學家在研究亞鐵磁材料的一維模型時，發現了一種“半冰半火”的物質新相態，併成功用數學模型予以闡釋。這一突破填補了凝聚態物理學的認知空白，可能會給量子計算和自旋電子學等技術帶來巨大進步。相關論文發表於新一期《物理評論快報》。

新發現的相態是電子自旋的一種前所未見的模式，每個電子都攜帶着微小的“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，不僅因為它從未被觀測到，還因為它能在合理的有限温度下，驅動材料內部相態之間發生極其迅速的切換。

研究人員表示，發現具有奇異物理性質的新狀態，並能夠理解和控制這些狀態之間的轉變，是凝聚態物理和材料科學領域的核心問題。

這項研究可追溯至2012年，研究人員當時正在研究鍶銅銥氧化物。直到2016年，他們首次發現了“半火半冰”的奇異相態：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定地冷卻。同一材料，同一温度，不同位置上的電子卻像處在完全不同的世界。

當時的理論模型顯示，這種相態在有限温度下本應無法存在。直到最近，研究人員通過建立新數學模型，發現量子隧穿效應在超窄温度區間內架起“橋樑”，讓看似不可能的相態轉變成為可能。

新發現的“半冰半火”相態，實質是“半火半冰”的孿生狀態。“半火半冰”中的熱自旋和冷自旋的位置發生了切換，也就是説，熱自旋變冷，冷自旋變熱，就成了“半冰半火”相態。

模型表明，相態之間的切換髮生在超窄温度範圍內，研究人員提出了未來可能利用這一現象的方法。例如，“半火半冰”所提供的具有巨大磁熵變化的超鋭相切換可用於製冷技術。這一現象還可作為新型量子信息存儲技術的基礎，其中相態可充當比特。