發(fā)現(xiàn)潛伏在磁鐵中的新的“半冰半火”物質(zhì)相

異國(guó)情調(diào)物質(zhì)狀態(tài)被發(fā)現(xiàn)潛伏在先前的外來狀態(tài)中，該狀態(tài)在過去十年中在磁性化合物中發(fā)現(xiàn)。

2016 年，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家 Weiguo Yin、Christopher Roth 和 Alexei Tsvelik 確定了他們所說的”半火半冰“ Sr 中自旋態(tài)的相₃銅IrO₆，是鍶、銅、銥和氧的混合物。

現(xiàn)在，他們發(fā)現(xiàn)了相反的情況：半冰半開相，其中兩種不同結(jié)構(gòu)中的電子交換行為。

這一發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵是一個(gè)被稱為挫折的概念，它描述了相鄰粒子之間的相互作用。改變拼圖的一塊，行為的變化可能會(huì)像相移一樣在整個(gè)過程中產(chǎn)生漣漪。

在該團(tuán)隊(duì)的半火半冰材料中，銅原子晶格上的電子自旋像地獄中閃爍的火焰一樣無序。那些銥位點(diǎn)被凍結(jié)在原地，使它們具有更強(qiáng)的磁力。

根據(jù)相移的數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，讓這個(gè)陣型移動(dòng)似乎是不可能的。然而，一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)使該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了溫度的明確變化，使整個(gè)州發(fā)生了翻天覆地的變化。

這種可逆性是 Yin 和 Tsevik 一直在尋找的突破口——解鎖 Sr 的關(guān)鍵₃銅IrO₆量子信息科學(xué)和微電子學(xué)的潛力。

“尋找具有奇特物理特性的新態(tài)——并能夠理解和控制這些態(tài)之間的轉(zhuǎn)變——是凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的核心問題?！?a>尹 說.

“解決這些問題可能會(huì)導(dǎo)致技術(shù)的巨大進(jìn)步，例如量子計(jì)算和自旋電子學(xué)。

磁性材料可以有幾種不同的形式。在傳統(tǒng)的鐵磁材料（例如鐵）中，其中粒子的自旋都沿同一方向排列。鐵磁體是具有兩種自旋態(tài)的磁體，例如 Sr₃銅IrO₆.

正如該團(tuán)隊(duì)在 2024 年關(guān)于他們 2016 年發(fā)現(xiàn)的論文中所闡述的那樣，這種奇怪的、半火半冰的相可以由外部磁場(chǎng)感應(yīng)，而且非常引人注目。銅旋落入無序的雜亂無章中，而銥星旋轉(zhuǎn)則像士兵一樣全神貫注。

這很有趣，但本身并沒有太大的用處。例如，量子比特（量子計(jì)算的基本單位）可以是基于電子自旋，但這些自旋需要能夠顯示二進(jìn)制系統(tǒng).而可調(diào)諧量子比特（其自旋可以縱的量子比特）甚至更有用。

“盡管我們進(jìn)行了廣泛的研究，但我們?nèi)匀徊恢廊绾卫眠@種狀態(tài)，特別是因?yàn)橐粋€(gè)世紀(jì)以來人們已經(jīng)知道一維 Ising 模型，一種已建立的鐵磁性數(shù)學(xué)模型，可產(chǎn)生半火半冰態(tài)，并不具有有限溫度相變，”茨維利克解釋說.

“我們?nèi)鄙倨磮D的碎片。”

這些部分已經(jīng)匯集到團(tuán)隊(duì)的新工作中。他們發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)非常狹窄、有限的溫度范圍內(nèi)，隱藏著一對(duì)半火半冰的雙胞胎;也就是說，半冰半火，其中銅變得有序，銥陷入混亂。

這不僅為未來研究隱藏階段及其轉(zhuǎn)變開辟了途徑;這也意味著可以嚴(yán)格控制相變，從而開辟了整個(gè)潛在量子應(yīng)用領(lǐng)域。

然而，重要的是要注意，這只是旅程中的一個(gè)步驟。

“接下來，我們將探索具有量子自旋和附加晶格、電荷和軌道自由度的系統(tǒng)中的火冰現(xiàn)象，”尹 說.“通往新可能性的大門現(xiàn)在已經(jīng)敞開。”

該研究已發(fā)表在物理評(píng)論信.

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