科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

據(jù)美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)25日消息，物理學(xué)家在研究亞鐵磁材料的一維模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種“半冰半火”的物質(zhì)新相態(tài)，并成功用數(shù)學(xué)模型予以闡釋。這一突破填補(bǔ)了凝聚態(tài)物理學(xué)的認(rèn)知空白，可能會(huì)給量子計(jì)算和自旋電子學(xué)等技術(shù)帶來(lái)巨大進(jìn)步。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《物理評(píng)論快報(bào)》。

新發(fā)現(xiàn)的相態(tài)是電子自旋的一種前所未見(jiàn)的模式，每個(gè)電子都攜帶著微小的“向上”和“向下”的磁矩。它由高度有序的“冷”自旋和高度無(wú)序的“熱”自旋組合而成，因此被稱為“半冰半火”。

“半冰半火”之所以引人注目，不僅因?yàn)樗鼜奈幢挥^測(cè)到，還因?yàn)樗茉诤侠淼挠邢逌囟认?，?qū)動(dòng)材料內(nèi)部相態(tài)之間發(fā)生極其迅速的切換。

研究人員表示，發(fā)現(xiàn)具有奇異物理性質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)，并能夠理解和控制這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的核心問(wèn)題。

這項(xiàng)研究可追溯至2012年，研究人員當(dāng)時(shí)正在研究鍶銅銥氧化物。直到2016年，他們首次發(fā)現(xiàn)了“半火半冰”的奇異相態(tài)：銅原子上的自旋像火苗般無(wú)序地跳躍，而銥原子的自旋卻如寒冰般穩(wěn)定地冷卻。同一材料，同一溫度，不同位置上的電子卻像處在完全不同的世界。

當(dāng)時(shí)的理論模型顯示，這種相態(tài)在有限溫度下本應(yīng)無(wú)法存在。直到最近，研究人員通過(guò)建立新數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)在超窄溫度區(qū)間內(nèi)架起“橋梁”，讓看似不可能的相態(tài)轉(zhuǎn)變成為可能。

新發(fā)現(xiàn)的“半冰半火”相態(tài)，實(shí)質(zhì)是“半火半冰”的孿生狀態(tài)。“半火半冰”中的熱自旋和冷自旋的位置發(fā)生了切換，也就是說(shuō)，熱自旋變冷，冷自旋變熱，就成了“半冰半火”相態(tài)。

模型表明，相態(tài)之間的切換發(fā)生在超窄溫度范圍內(nèi)，研究人員提出了未來(lái)可能利用這一現(xiàn)象的方法。例如，“半火半冰”所提供的具有巨大磁熵變化的超銳相切換可用于制冷技術(shù)。這一現(xiàn)象還可作為新型量子信息存儲(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)，其中相態(tài)可充當(dāng)比特。