Ważne odkrycie fizyków - co dzieje się w materiale neodymowym?

Po podgrzaniu, materiał neodymowy dosłownie zamarzł. Efekt powinien być odwrotny

Fizycy są zdumieni. Podgrzany materiał neodymowy zamiast uwalniać losowe wzory wirujących spinów, dosłownie zamarzł.

Naukowcy z Uniwersytetu Radboud zaobserwowali dziwny typ zachowania w materiale magnetycznym wykonanym z neodymu. Gdy temperatura rośnie, magnetyczne spiny „zamarzają”, co jest sprzeczne ze znanymi prawami fizyki. Szczegóły opisano w Nature Physics.

Niezwykłe szkła spinowe

Dziwne zjawisko zostało odkryte w neodymowym materiale znanym jako „samoindukowane szkło spinowe”. Jest to stop, w którym atomy metalu (np. żelaza) są losowo wmieszane w siatkę atomów miedzi. Każdy atom żelaza zachowuje się jak mały magnes (ma spin) – są one losowo skierowane we wszystkich możliwych kierunkach.

W przeciwieństwie do tradycyjnych szkieł spinowych, gdzie dochodzi do losowego wymieszania materiałów magnetycznych, neodym jest pierwiastkiem, który zachowuje się jak szkło w swojej formie krystalicznej. W neodymowym szkle spinowym zaobserwowano coś niezwykłego.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Kiedy materiał podgrzano z -268oC do -265oC, jego spiny „zamarzły” w stały wzór, tworząc coś na podobieństwo magnesu. Podczas schładzania neodymu, losowe wzory wirujących spinów wróciły. Takiego „zamrożenia” normalnie nie obserwujemy w materiałach magnetycznych.

Temperatura zwiększa energię w ciele stałym, cieczy lub gazie. To samo dotyczy magnesu: z większą temperaturą spiny zaczynają się trząść. Zachowanie magnetyczne w neodymie, które zaobserwowaliśmy, jest właściwie przeciwieństwem tego, co „normalnie” się dzieje. Jest to dość kontrintuicyjne, jak woda, która po podgrzaniu staje się kostką lodu.prof. Alexander Khajetoorians

Tego typu zjawiska nie są często spotykane w przyrodzie. Znanych jest niewiele materiałów, które zachowują się w niewłaściwy sposób. Jednym z nich jest sól Rochelle, w której ładunki gromadzą się i tworzą uporządkowany wzór w wyższej temperaturze, gdzie w niższej są losowo rozmieszczone.

Warto wspomnieć, że złożony opis szkieł spinowych został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2021 r. Rozgryzienie, jak działają te szkła spinowe, ma również znaczenie dla innych dziedzin nauki.

Dziwne zachowanie wiąże się z koncepcją degeneracji, do której dochodzi gdy wiele różnych stanów ma tę samą energię, a system staje się niestabilny. Efektem działania temperatury jest przełamanie tego stanu rzeczy. Być może będziemy w stanie wykorzystać to zjawisko do nowych rodzajów przechowywania informacji lub koncepcji obliczeniowych, takich jak te podobne do naszego mózgu.