科学探索|物理学家发现了钕元素的反常热诱导磁序特性物理学家发现了钕元素的反常

在 2022 年 7 月 4 日发表于《自然·物理学》期刊上的一篇文章中，科学家们介绍了玻璃态钕元素的热诱导磁序（thermally induced magnetic order）特性。拉德堡大学（Radboud University）扫描探针显微镜学教授 Alexander Khajetoorians 表示：“这种现象很是反直觉，就像给水加热却形成了冰块” 。

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（图自：Radboud University）
SCI Tech Daily 指出：在较低的温度下，材料中的自旋会形成随机图案。其中每个图案都像螺旋一样旋转，带有特定的扭曲。
但在加热材料后，自旋会选择一种特定的螺旋图案。这种现象通常在磁性材料的温度降低时发生，因而很是违反科学家们的直觉。

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研究配图 - 1：Nd（0001）在 5K 温度时的 Spin-Q 玻璃态
据悉，钕（Nd）元素与传统的旋转玻璃态物质不一样，其中混有随机的磁性材料，可在结晶形式中表现出玻璃状行为。自旋形成类似螺旋的图案，是随机且不断变化的。
几年前，科学家们将之称作“自诱导自旋玻璃” 。通常可在合金材料上看到，比如铁原子随机分散到了铜原子网格中、且旋转指向了不同的方向。

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研究配图 - 2：高温下从自旋 Q 玻璃态出现长程多 Q 级
在这项新研究中，物理学家发现，当他们将钕从 -268 °C 加热到 -265 °C（-450 °F 到 -445 °F）时，自旋反而会“冻结”成固体图案，在较高温度下形成了一种磁铁！
当冷却材料时，随机旋转的螺旋图案又回来了。Alexander Khajetoorians 教授表示：“这种‘冻结’模式通常不会在磁性材料上出现” 。

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研究配图 - 3：多 Q 磁跃迁和 T? 提取
按照常理，温度会增加固体、液体或气体中的能量。磁铁也是如此 —— 随着温度的升高，自旋会开始摇摆。然而在钕材料上看到的磁性行为，却与正常状况相反。
这类情况在自然界中相当罕见，很少有已知材料会表现出“错误”的模式。另一个知名的例子，就是电荷可在较高温度下积累并形成有序图案、较低温度下又随机分布的罗谢尔盐。

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研究配图 - 4：原子自旋动力学模拟。
值得一提的是，对自旋玻璃态的复杂理论描述，也是 Parisi 在 2021 年被授予的诺贝尔物理学奖的一个主题。
【科学探索|物理学家发现了钕元素的反常热诱导磁序特性】此外弄清其工作原理，对于其它科学领域也非常重要。假如我们最终可对这些材料的行为进行建模，那也可以外推到各种其它材料的行为。

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最后，有关这项研究的详情，还请移步至 2022 年 7 月 4 日出版的《Nature Physics》期刊上查看（PDF）。
_本文原题是为《Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium》。