此圖展示了“半冰半火”和“半火半冰”相態的圖形解釋(左)。圖(右)顯示了磁場(h)與溫度(T)平面的磁熵變化。零溫度下的黑點表示“半火半冰”相態出現的位置。虛線表示“半冰半火”相態隱藏的位置。圖片來源:美國布魯克海文國家實驗室

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,并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。相關論文發表于新一期《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,不僅因為它從未被觀測到,還因為它能在合理的有限溫度下,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,并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,同一溫度,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,這種相態在有限溫度下本應無法存在。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溫度區間內架起“橋梁”,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,也就是說,熱自旋變冷,冷自旋變熱,就成了“半冰半火”相態。

模型表明,相態之間的切換發生在超窄溫度范圍內,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銳相切換可用于制冷技術。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。