Natuurkundigen hebben een vreemd nieuw soort gedrag waargenomen in een magnetisch materiaal wanneer het wordt verwarmd. De magnetische spins "bevriezen" in een statisch patroon wanneer de temperatuur stijgt, een fenomeen dat normaal optreedt wanneer de temperatuur daalt. Ze publiceerden hun bevindingen in Nature Physics op 4 juli.

De onderzoekers ontdekten het fenomeen in het materiaal neodymium, een element dat ze enkele jaren geleden beschreven als een 'zelf-geïnduceerd spinglas'. Spinglazen zijn typisch legeringen waarbij bijvoorbeeld ijzeratomen willekeurig worden gemengd in een raster van koperatomen. Elk ijzeratoom gedraagt ​​zich als een kleine magneet, of een spin. Deze willekeurig geplaatste spins wijzen in allerlei richtingen.

In tegenstelling tot conventionele spinglazen, waar magnetische materialen willekeurig worden gemengd, is neodymium een ​​element en vertoont het zonder significante hoeveelheden van enig ander materiaal glasachtig gedrag in zijn kristallijne vorm. De spins vormen patronen die wervelen als een helix, en deze werveling is willekeurig en verandert voortdurend.

Effen patroon bij verwarming

In deze nieuwe studie ontdekten de onderzoekers dat wanneer ze neodymium verhitten van -268 C tot -265 C, de spins "bevriezen" tot een vast patroon dat een soort magneet vormt, bij de hogere temperatuur. Bij het afkoelen van het materiaal kwamen de willekeurige wervelende helixpatronen terug. "Dit 'bevriezen' van het patroon komt normaal gesproken niet voor in magnetisch materiaal", zegt Alexander Khajetoorians, hoogleraar scanning probe microscopie aan de Radboud Universiteit.

Temperatuur verhoogt de energie in een vaste stof, vloeistof of gas. Hetzelfde geldt voor een magneet:bij meer temperatuur beginnen de spins te trillen. "Het magnetische gedrag in neodymium dat we hebben waargenomen, is eigenlijk het tegenovergestelde van wat 'normaal' gebeurt. Het is nogal contra-intuïtief, zoals water dat een ijsblokje wordt als het wordt opgewarmd", zegt Khajetoorians.

Dit soort verschijnselen komen in de natuur niet vaak voor. Er zijn maar weinig materialen bekend die zich verkeerd gedragen. Een ander bekend voorbeeld is het Rochelle-zout, waar ladingen zich ophopen en een geordend patroon vormen bij hogere temperatuur, waar ze bij lagere temperatuur willekeurig worden verdeeld.

Hoe het werkt

De complexe theoretische beschrijving van spin-brillen was het onderwerp van de Nobelprijs voor Natuurkunde die in 2021 aan Parisi werd toegekend. Uitzoeken hoe deze spin-bril werkt, is ook van belang voor andere wetenschappelijke gebieden. "Als we uiteindelijk kunnen modelleren hoe deze materialen zich gedragen, kan dit ook worden geëxtrapoleerd naar het gedrag van een breed scala aan andere materialen."

Het onderliggende vreemde gedrag was gekoppeld aan het concept van degeneratie:waar veel verschillende staten dezelfde energie hebben en het systeem gefrustreerd raakt. Het effect van temperatuur is om deze hachelijke situatie te doorbreken:bepaalde toestanden overleven, waardoor het systeem zich duidelijk in één patroon kan vestigen. We kunnen dit gedrag mogelijk ook gebruiken voor nieuwe soorten informatieopslag of computationele concepten, zoals hersenachtig computergebruik. + Verder verkennen

Nieuwe 'wervelende' toestand van materie ontdekt in een element van het periodiek systeem