Физики удивлены магнитным материалом, который "замерзает" при нагревании

Когда неупорядоченные магнитные материалы охлаждаются до нужной температуры, происходит нечто интересное. Спины их атомов "замораживаются" и фиксируются в статичном положении, демонстрируя кооперативное поведение, которое обычно не проявляется.

Теперь физики впервые увидели обратное. При дробном нагревании встречающийся в природе магнитный элемент неодим застывает, что переворачивает все наши ожидания.

"Магнитное поведение неодима, которое мы наблюдали, фактически противоположно тому, что происходит "обычно", - говорит физик Александр Хаджеторианс из Университета Радбоуда в Нидерландах.

"Это довольно контринтуитивно, как вода, которая при нагревании становится кубиком льда".

В обычном ферромагнитном материале, таком как железо, магнитные спины атомов выравниваются в одном направлении, то есть их северные и южные магнитные полюса ориентированы одинаково в трехмерном пространстве.

Но в некоторых материалах, например, в сплавах меди и железа, спины расположены совершенно беспорядочно. Такое состояние известно как спиновое стекло.

Вы можете подумать: "Но ведь неодим известен тем, что из него получаются отличные магниты", и вы будете правы... но для того, чтобы спины выровнялись, его нужно смешать с железом. Чистый неодим ведет себя не так, как другие магниты; только два года назад физики определили, что этот материал, по сути, лучше всего описывается как самоиндуцированное спиновое стекло.

Теперь, похоже, неодим еще более странный материал, чем мы думали.

Когда вы нагреваете материал, повышение температуры увеличивает энергию в этом материале. В случае магнитов это усиливает движение спинов. Но происходит и обратное: Когда вы охлаждаете магнит, спины замедляются.

Для спиновых стекол температура замерзания - это точка, при которой спиновое стекло ведет себя более похоже на обычный ферромагнит.

Под руководством физика Бенджамина Верлхака из Университета Радбоуда группа ученых решила исследовать, как неодим ведет себя при изменении температуры. Интересно, что они обнаружили, что повышение температуры неодима от -268 до -265 градусов Цельсия (от -450,4 до -445 градусов по Фаренгейту) вызывает состояние замерзания, которое обычно наблюдается при охлаждении спинового стакана.

Когда ученые снова охладили неодим, спины снова пришли в беспорядок.

Неясно, почему это произошло, поскольку очень редко природный материал ведет себя "неправильно", вопреки тому, как ведут себя все остальные материалы такого рода. Однако ученые считают, что это может быть связано с явлением, называемым фрустрацией.

Это когда материал не может достичь упорядоченного состояния, в результате чего возникает неупорядоченное основное состояние, как, например, в спиновых стеклах.

Возможно, говорят исследователи, что неодим имеет определенные корреляции в состоянии спинового стекла, которые зависят от температуры. Повышение температуры ослабляет их, а значит, и фрустрацию, позволяя спинам выровняться.

Дальнейшие исследования могут выявить механизм этого странного поведения, при котором порядок возникает из беспорядка при добавлении энергии; исследователи отмечают, что это имеет последствия, выходящие далеко за рамки физики.

"Такое "замораживание" узора обычно не происходит в магнитных материалах", - пояснил Хаджеториан.

"Если мы сможем смоделировать поведение этих материалов, это можно будет экстраполировать на поведение широкого спектра других материалов".

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.