新模型阐释磁性材料“半冰半火”相态

此图展示了“半冰半火”和“半火半冰”相态的图形解释（左）。图（右）显示了磁场（h）与温度（T）平面的磁熵变化。零温度下的黑点表示“半火半冰”相态出现的位置。虚线表示“半冰半火”相态隐藏的位置。图片来源：美国布鲁克海文国家实验室

科技日报北京3月27日电（记者张佳欣）据美国能源部布鲁克海文国家实验室官网25日消息，物理学家在研究亚铁磁材料的一维模型时，发现了一种“半冰半火”的物质新相态，并成功用数学模型予以阐释。这一突破填补了凝聚态物理学的认知空白，可能会给量子计算和自旋电子学等技术带来巨大进步。相关论文发表于新一期《物理评论快报》。

新发现的相态是电子自旋的一种前所未见的模式，每个电子都携带着微小的“向上”和“向下”的磁矩。它由高度有序的“冷”自旋和高度无序的“热”自旋组合而成，因此被称为“半冰半火”。

“半冰半火”之所以引人注目，不仅因为它从未被观测到，还因为它能在合理的有限温度下，驱动材料内部相态之间发生极其迅速的切换。

研究人员表示，发现具有奇异物理性质的新状态，并能够理解和控制这些状态之间的转变，是凝聚态物理和材料科学领域的核心问题。

这项研究可追溯至2012年，研究人员当时正在研究锶铜铱氧化物。直到2016年，他们首次发现了“半火半冰”的奇异相态：铜原子上的自旋像火苗般无序地跳跃，而铱原子的自旋却如寒冰般稳定地冷却。同一材料，同一温度，不同位置上的电子却像处在完全不同的世界。

当时的理论模型显示，这种相态在有限温度下本应无法存在。直到最近，研究人员通过建立新数学模型，发现量子隧穿效应在超窄温度区间内架起“桥梁”，让看似不可能的相态转变成为可能。

新发现的“半冰半火”相态，实质是“半火半冰”的孪生状态。“半火半冰”中的热自旋和冷自旋的位置发生了切换，也就是说，热自旋变冷，冷自旋变热，就成了“半冰半火”相态。

模型表明，相态之间的切换发生在超窄温度范围内，研究人员提出了未来可能利用这一现象的方法。例如，“半火半冰”所提供的具有巨大磁熵变化的超锐相切换可用于制冷技术。这一现象还可作为新型量子信息存储技术的基础，其中相态可充当比特。