フェリ磁性体: 「半分氷、半分火」の物質状態を発見

高校で学んだ物質の状態（固体、液体、気体、プラズマ）は氷山の一角にすぎません。量子物理学と磁性材料の奥深くには、将来の技術に革命をもたらす可能性のある異次元の相が存在します。これは物理学者による最近の発見である ウェイグオ・イン e アレクセイ・ツヴェリク インクルード ブルックヘブン国立研究所は、1次元フェリ磁性体の新しい相、「半分氷、半分火」と呼ばれる状態を特定しました。

この異常な構成は、電子スピンのパターンから成り、 高度に秩序立った状態が共存する （氷のように冷たい）そして 非常に無秩序な （火のように熱い）。この発見の物語は、 権威ある雑誌に掲載された Physical Review Lettersには、10 年以上にわたる研究に基づいており、磁性材料を理解する上で基本的な要素を表しています。

10年前に始まった旅

この物質の新しい相の発見は、突然起こったわけではない。この旅は2012年に始まった。当時、YinとTsvelikは物理学者Jeffrey Schmidtが率いる多機関共同研究に参加していた。 ジョンヒル ブルックヘブン研究所の研究グループは、 ストロンチウム (ストロンチウム、銅、イリジウム、酸素をベースにした材料)。この研究は Physical Review Letters 誌にも 2012 つの論文として発表されました。2013 つは XNUMX 年に実験主導で、もう XNUMX つは XNUMX 年に理論に重点を置いたものでした。

しかし、彼らの徹底的な調査にもかかわらず、まだ何かが欠けていました。ツヴェリク氏は次のように指摘する。

「広範囲にわたる調査を行った後でも、この状態をどのように活用できるかはまだわかりませんでした。」

「半分火、半分氷」の状態を生み出すイジングの数学的モデルは、有限温度の相転移に対応できないことが一世紀も前から知られていた。パズルの重要なピースが欠けていました。

Yin は最近、失われたピースの手がかりを特定しました。彼は 2 つの論文で、固定された有限温度での超狭クロスオーバー現象によって「禁制」相転移に近づくことができることを実証しました。

もっと簡単な言葉で言うと？ Yin 氏は、変換が不可能に思える場合でも、システムを「だまして」特定の温度で非常に特別に制御された方法で変換を起こさせることができることを発見しました。 それは、たとえ直接のルートが遮断されていても、A地点からB地点までの秘密の通路を見つけるようなものです。

氷と炎が入れ替わるとき

現在の研究で、Yin 氏と Tsvelik 氏は、「半分火、半分氷」の状態には、熱いスピンと冷たいスピンの位置が入れ替わる、隠れた反対の状態があることを発見しました。つまり、熱いスピンは冷たくなり、冷たいスピンは熱くなります。

このモデルは、相間の遷移が極めて狭い温度範囲で起こることを明らかにし、研究者らはすでに将来の応用の可能性を示唆している。例えば、磁気エントロピーの巨大な変化を伴う超精密スイッチングのこの現象は、冷凍技術に役立つ可能性があります。さらに、位相がビットとして機能する新しいタイプの量子情報記憶技術の基礎を形成する可能性があります。

フェリ磁性体と「半分氷、半分火」相：その意味と将来展望

この新しい物質相の発見は意義深い。これは、これまで観測されたことがないだけでなく、妥当な有限温度で材料の極めて急速な相転移を駆動することができるからです。

「異例の物理的特性を持つ新しい状態を発見し、それらの状態間の遷移を理解し制御できることは、凝縮物質物理学と材料科学の分野における中心的な問題です」とイェン氏は語った。

「これらの問題を解決すれば、量子コンピューティングやスピントロニクスなどの技術が大きく進歩する可能性があります。」

ツヴェリク氏はこう付け加えた。

「私たちの研究結果は、特定の物質の相と相転移を理解し、制御するための新たな扉を開くかもしれないと示唆しています。」

研究者の次のステップは、量子スピンと追加の格子、電荷、軌道の自由度を持つシステムにおける「火氷」現象を調査することです。彼が述べたように 陰「新たな可能性への扉は今、大きく開かれている。」

私が感銘を受けたのは、この発見が基礎研究がいかに驚くべき、予測不可能なものであるかについての完璧な例であるということです。単純な1次元モデルの研究から始まったものが、 物理現象 エネルギー技術から量子コンピューティングまで幅広い応用が期待できる、まったく新しい技術です。

時には、最も単純なシステムの中に、自然界の最も魅力的な複雑さが隠されていることがあります。