Når uordnede magnetiske materialer afkøles til den helt rigtige temperatur, sker der noget interessant. Spindene af deres atomer ‘fryser’ og låser sig på plads i et statisk mønster, der udviser samarbejdsadfærd, der normalt ikke vises.
Nu for første gang har fysikere set det modsatte. Når det opvarmes fraktioneret, fryser det naturligt forekommende magnetiske grundstof neodym, hvilket gør alle vores forventninger uklare.
“Den magnetiske adfærd i neodym, som vi observerede, er faktisk det modsatte af, hvad der ‘normalt’ sker,” sagde fysiker Alexander Khajetoorians fra Radboud Universitet i Holland.
“Det er ret kontraintuitivt, ligesom vand, der bliver en isterning, når det varmes op.”
I et konventionelt ferromagnetisk materiale, såsom jern, flugter atomernes magnetiske spins alle i samme retning; det vil sige, at deres nord- og sydmagnetiske poler er orienteret på samme måde i tredimensionelt rum.
Men i nogle materialer, såsom nogle legeringer af kobber og jern, er spindene i stedet ret tilfældige. Denne tilstand er det, der er kendt som et spinglas.
Du tænker måske “men neodym er velkendt for at lave fremragende magneter”, og du har ret… men det skal blandes med jern, for at spindene kan justeres. Ren neodym opfører sig ikke som andre magneter; det var kun to år siden, at fysikere fastslog, at dette materiale faktisk bedst kan beskrives som et selvfremkaldt spinglas .
Nu ser det ud til, at neodym er endnu mærkeligere, end vi troede.
Når du opvarmer et materiale, øger temperaturstigningen energien i det pågældende materiale. I tilfælde af magneter øger dette bevægelsen af spins. Men det modsatte sker også: Når du køler en magnet ned, går spinsene langsomt.
For spindeglas er frysetemperaturen det punkt, hvor spinglasset opfører sig mere som en konventionel ferromagnet.
Ledet af fysiker Benjamin Verlhac fra Radboud Universitet, ønskede et team af videnskabsmænd at undersøge, hvordan neodym opfører sig under skiftende temperaturer. Interessant nok fandt de ud af, at en hævning af neodym-temperaturen fra -268 grader Celsius til -265 grader Celsius (-450,4 til -445 Fahrenheit) inducerede den frysetilstand, der normalt ses ved afkøling af et spinglas.
Da forskerne kølede neodymet ned igen, faldt spinsene igen i opløsning.
Det er uklart, hvorfor dette sker, da det er meget sjældent, at et naturligt materiale opfører sig på den ‘forkerte’ måde, i modsætning til hvordan alle de andre materialer af sin art opfører sig. Forskerne mener dog, at det kan have at gøre med et fænomen, der kaldes frustration.
Dette er, når et materiale ikke er i stand til at opnå en ordnet tilstand, hvilket resulterer i en uordnet grundtilstand, som vi ser i spin-briller.
Det er muligt, sagde forskerne, at neodym har visse korrelationer i sin spinglastilstand, der er afhængige af temperaturen. At hæve temperaturen svækker disse, og derfor også frustrationen, hvilket tillader spins at falde til rette i en justering.
Yderligere undersøgelser kunne afsløre mekanismen bag denne mærkelige adfærd, hvor orden opstår fra uorden med tilsætning af energi; forskerne bemærker, at dette har konsekvenser, der rækker langt ud over fysik.
“Denne ‘frysning’ af mønsteret forekommer normalt ikke i magnetisk materiale,” forklarede Khajetoorians .
“Hvis vi i sidste ende kan modellere, hvordan disse materialer opfører sig, kan dette også ekstrapoleres til opførselen af en lang række andre materialer.”
Forskningen er publiceret i Nature Physics .
