冰火交織:顛覆物理學的奇異新物質狀態
布魯克海文國家實驗室的科學家們在突破性研究中,發現了一種名為「半冰半火」的全新物質相態。這種奇特的狀態同時存在冷靜有序與熾熱混亂的電子自旋,徹底改寫了物理學既有的認知框架,並可能為量子運算、磁製冷等領域帶來革命性進展。
這項耗時十年的研究始於對特殊磁性材料的探索,最終開創出超精準操控物質的新方法。美國能源部所屬的兩位物理學家魏國印與阿列克謝·茨維利克,在分析鐵磁體的一維模型時,意外發現這種電子自旋的特殊排列方式。由於同時具備高度有序(冷)與高度無序(熱)的特徵,研究團隊將其命名為「半冰半火」。
此發現最關鍵的價值在於:它能在實際可達的有限溫度下,誘發物質狀態間的極劇烈轉變。這項研究成果已刊登於2024年12月31日出刊的《物理評論快報》,未來可望應用於能源系統與資訊科技領域。
「探索具有奇異物理特性的新狀態,並理解控制其轉變過程,始終是凝態物理與材料科學的核心課題。」魏國印強調,解決這些問題將大幅推進量子運算與自旋電子學等技術發展。茨維利克補充道:「我們的研究為理解與控制特定材料的相變機制,開啟了嶄新視野。」
這項發現其實可追溯至2012年,當時研究團隊參與由約翰·希爾主導的跨機構合作,研究由鍶、銅、銥、氧組成的磁性化合物Sr3CuIrO6。經過多年深入研究,團隊在2016年首度發現「半火半冰」狀態——在外加臨界磁場作用下,銅位點上的熱自旋呈現完全無序排列且磁矩較小,而銥位點上的冷自旋則完全有序且磁矩較大。
「儘管投入大量研究,我們仍不清楚如何實際應用這種狀態。」茨維利克解釋:「特別是已知一維伊辛模型(能產生半火半冰狀態的鐵磁性數學模型)已有一個世紀未被觀測到有限溫度下的相變,這讓我們始終缺少關鍵拼圖。」
直到近期,魏國印在兩篇分別探討有無外加磁場系統的論文中證實:透過固定有限溫度下的超窄幅相變,就能實現過去被認為不可能的相變過程。在最新研究中,團隊更驚人地發現「半火半冰」存在著對稱的隱藏狀態——熱自旋與冷自旋的位置完全互換,因而命名為「半冰半火」。
模型顯示這種相變發生在極窄的溫度區間內,研究團隊已提出多項潛在應用方向。例如利用「半火半冰」狀態產生的超銳利相變與巨大磁熵變化,可發展新型冷凍技術;該現象也能作為量子資訊儲存技術的基礎,以不同相態作為資訊位元。
「接下來我們將探索量子自旋系統中,結合晶格、電荷與軌道自由度的冰火現象。」魏國印充滿期待地表示:「嶄新可能性的大門已然敞開。」這項研究由美國能源部科學辦公室支援,為物質科學開闢出前所未有的研究路徑。