ネオジムは高温で「凍結」する

研究者らは、磁性材料が加熱されたときの奇妙な新しい挙動を観察しました。温度が上昇すると、この材料の磁気スピンが「凍結」して静的モードになります。これは通常、温度が低下したときに発生します。研究者らは研究結果をNature Physics誌に発表した。

研究者らはネオジム材料でこの現象を発見しました。数年前、彼らはこの要素を「自己誘起スピングラス」と表現しました。スピン グラスは通常、金属合金です。たとえば、鉄原子が銅原子のグリッドにランダムに混合されています。それぞれの鉄原子は小さな磁石、つまりスピンのようなものです。これらのランダムに配置されたスピンはさまざまな方向を指します。

磁性材料がランダムに混合された従来のスピングラスとは異なり、ネオジムは元素の 1 つです。他の物質が存在しない場合、結晶の形でガラス化の挙動を示します。回転は螺旋のような回転パターンを形成し、ランダムで常に変化します。

この新しい研究で研究者らは、ネオジムを-268℃から-265℃に加熱すると、そのスピンが固体パターンに「凍結」し、より高温で磁石を形成することを発見した。材料が冷えると、ランダムに回転する螺旋パターンが戻ります。

「このような『凍結』モードは、磁性材料では通常起こりません」と、オランダのラドボウド大学の走査型プローブ顕微鏡教授、アレクサンダー・カジェトゥーリアン氏は言う。

温度が高くなると、固体、液体、または気体のエネルギーが増加します。同じことが磁石にも当てはまります。温度が高くなると、通常、回転がぐらつき始めます。

カジェトゥール人らは、「我々が観察したネオジムの磁性挙動は、実際には『通常』起こる現象とは逆である」と述べた。「これはまったく直観に反しています。水を加熱すると氷になるのと同じです。」

この直観に反する現象は自然界では一般的ではありません。誤った動作をすることが知られている材料はほとんどありません。もう 1 つのよく知られた例はロッシェル塩です。その電荷は高温では規則的なパターンを形成しますが、低温ではランダムに分布します。

スピングラスの複雑な理論的記述は、2021 年のノーベル物理学賞のテーマです。これらのスピングラスがどのように機能するかを理解することは、科学の他の分野にとっても重要です。

カジェトゥール人らは、「最終的にこれらの材料の挙動をシミュレートできれば、他の多数の材料の挙動も推測できるようになる」と述べた。

潜在的な常軌を逸した動作は、縮退の概念に関連しています。つまり、多くの異なる状態が同じエネルギーを持ち、システムがストレスを感じます。温度によってこの状況は変化する可能性があります。つまり、特定の状態のみが存在し、システムが明示的にモードに入ることが可能になります。

この奇妙な動作は、脳のようなコンピューティングなど、新しい情報ストレージやコンピューティングの概念に使用される可能性があります。