當無序的磁性材料冷卻到剛好隊的溫度上時,發生了一些有趣的事。它們原子的自旋spin)「凍住」了,並以靜態模式中鎖定到位,展現出通常不會呈現的合作行為。而現在第一次,物理學家們看到了相反的事。當部份地加熱時,自然產生的磁性材料釹neodymiumNd)凍住,顛倒所有我們所預期看到的現象。

超出預期

在典型的鐵磁性(ferromagnetic)材料,例如鐵中,原子的磁自旋都排列在同一個方向上;也就是說,在三維空間中,它們的南北磁極是在相同方向上的。但是在某些材料,例如一些銅與鐵的合金當中,自旋方向反而是相當隨機。這個狀態是我們所熟知的自旋玻璃(spin glass)。

位於荷蘭的奈梅亨拉德堡德大學(Radboud University Nijmegen)的物理學家亞歷山大·卡捷托利安教授(Alexander Khajetoorians)說:「我們所觀察到在 Nd 中的磁性行為,實際上是『通常』會發生的相反結果。這相當違反直覺,就像當你加熱時,水會變成冰塊一樣。」

你可能在想說,Nd 因為可以製作出很棒的磁鐵而聞名,而你也是對的……但是它必須與鐵混在一起,才能讓自旋排列在同方向上。純 Nd 並非表現得跟其他磁鐵一樣:直到兩年前,物理學家們才決定說事實上,最好描述這個材料為自感自旋玻璃(self-induced spin glass)。而現在看起來,Nd 似乎比我們所想的還要更奇怪。

現象描述

當對一種材料加熱時,溫度的上升會增加材料中的能量。在磁鐵的例子中,這會增加自旋的動作。但是相反的現象也會發生:當將磁鐵冷卻下來時,自旋會慢下來。對自旋玻璃來說,凝固點是當自旋玻璃表現地更像典型的鐵磁的溫度。

由奈梅亨拉德堡德大學的物理學家班傑明·維爾哈奇博士後(Benjamin Verlhac)所領導的科學家團隊想要測試看看,在改變的溫度之下,Nd 如何表現。有趣地是,他們發現將 Nd 的溫度從攝氏 -268 度上升到 -265 度,會誘導出通常在冷卻自旋玻璃時所會看到的凍住狀態。當科學家們將 Nd 冷卻回去時,自旋又再一度變得無序。

還不清楚這為何會發生,因為與所有其他同類材料的行為方式相反,一種自然的材料以「錯誤」的方式表現是很罕見的。然而,科學家們相信,這很有可能與一個稱作不穩定性(frustration)的現象有關。

這是指說當一種材料無法達到有序狀態,導致無序的基態,比如說我們在自旋玻璃中看到的那樣。研究人員說,Nd 在其自旋玻璃態中,有可能有特定的相關性,是取決於溫度的。升溫會弱化這些相關性,因此導致不穩定性,讓自旋排列於同個方向上。

未來方向

進一步的調查可能可以揭開這個奇異行為背後的機制,也就是為何增加了能量後,會從無序變到有序。研究人員註記說,這具有遠遠超出物理學的影響。

卡捷托利安教授解釋說:「這種『凍住』的模式,通常不會在磁性材料中發生。如果我們最終可以建立這些材料如何表現的模型,那麼這就可以被外推到各種其他材料的行為上。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2022, July 4). Physicists Are Startled by This Magnetic Material that ‘Freezes’ When Heated. ScienceAlert
  2. Verlhac, B. et al., (2022, July 4). Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium. Nature Physics. doi.org/10.1038/s41567-022-01633-9
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/this-magnetic-material-freezes-when-heated-in-a-reversal-of-our-expectations(圖:Clarence Risher/Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0)
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