Fizycy zaobserwowali dziwny rodzaj zachowania w materiale magnetycznym. Gdy jest on podgrzewany, spiny magnetyczne „zastygają” w statyczny wzór. Jednak zjawisko to zwykle występuje, gdy temperatura spada.
- Zachowanie magnetyczne w neodymie, które zaobserwowaliśmy, jest właściwie przeciwieństwem tego, co dzieje się „normalnie” - tłumaczy fizyk Alexander Khajetoorians z Uniwersytetu Radboud w Holandii. - Jest to sprzeczne z intuicją. Tak jakby woda po podgrzaniu stała się kostką lodu – dodaje.
Nowe badania zostały opublikowane w „Nature Physics” (DOI: 10.1038/s41567-022-01633-9).
W konwencjonalnym materiale ferromagnetycznym, takim jak żelazo, wszystkie spiny magnetyczne atomów ustawiają się w tym samym kierunku. Oznacza to, że ich północne i południowe bieguny magnetyczne są zorientowane w ten sam sposób w przestrzeni. Ale w niektórych materiałach, takich jak niektóre stopy miedzi i żelaza, spiny ustawiają się całkiem przypadkowo. Ten stan jest znany jako szkło spinowe.
Neodym wykorzystywany jest do produkcji doskonałych magnesów. Jednak musi być zmieszany z żelazem, aby spiny mogły się wyrównać. Czysty neodym nie zachowuje się jak inne magnesy. Dopiero dwa lata temu fizycy stwierdzili, że materiał ten jest w rzeczywistości szkłem spinowym. Teraz okazuje się, że neodym jest jeszcze dziwniejszy.
Kiedy ogrzewamy materiał, wzrost temperatury zwiększa w nim energię. W przypadku magnesów, zwiększa to ruch spinów. Ale występuje też zjawisko odwrotne: gdy schładzamy magnes, spiny zwalniają.
W przypadku szkieł spinowych, temperatura zamarzania jest punktem, w którym szkło spinowe zachowuje się bardziej jak konwencjonalny ferromagnetyk.
Zespół naukowców pod kierownictwem fizyka Benjamina Verlhaca z Uniwersytetu Radboud chciał zbadać, jak zachowuje się neodym pod wpływem zmiennych temperatur. Co ciekawe, odkryli oni, że podniesienie temperatury neodymu z minus 268 stopni Celsjusza do minus 265 stopni Celsjusza wywołało stan zamrożenia, który zwykle obserwuje się podczas chłodzenia szkła spinowego.
Kiedy naukowcy schłodzili neodym z powrotem, spiny ponownie wpadły w nieład.
Nie jest jasne, dlaczego tak się dzieje. Bardzo rzadko zdarza się, że naturalny materiał zachowuje się w „niewłaściwy” sposób, czyli przeciwny do tego, jak wszystkie inne materiały tego rodzaju.
Naukowcy uważają, że neodym może mieć pewne korelacje w stanie szkła spinowego, które są zależne od temperatury. Podniesienie temperatury osłabia je pozwalając spinom na ułożenie się w jednej linii.
Dalsze badania mogą ujawnić mechanizm stojący za tym dziwnym zachowaniem, w którym porządek wyłania się z nieporządku wraz z dodaniem energii. Badacze zauważają, że takie tajemnicze działanie ma implikacje wykraczające daleko poza fizykę.
- Takie „zamrożenie” nie występuje normalnie w materiale magnetycznym - wyjaśnia Khajetoorian. - Jeśli ostatecznie uda nam się wymodelować te mechanizmy, można będzie je wykorzystać także w innych materiałach – dodaje naukowiec.
Źródło: Radboud University, fot. CC BY 1.0, via Wikimedia Commons
