物理學家發現,當溫度上升到某種程度時,一些磁性材料會凍結。通常,只在冷卻物體時才會出現凍結,而非加熱時。因此,這讓物理學家摸不著頭腦,深感困惑。

加熱反而凍結?

荷蘭拉德布德大學(Radboud University)物理學家亞歷山大(Alexander Khajetoorians)表示,磁性材料的凍結與通常看到的相反, 「就像水加熱後變成冰塊一樣,違反了直覺」。

通常,像鐵這樣的磁性材料,其中的原子自旋都是朝著同一個方向的。本質上,原子們的南磁極和北磁極都在同一方向上對齊。然而,一些由鐵和銅製成的合金具有隨機自旋的特點。物理學家將這種狀態稱為自旋玻璃(spin glass)。

物理學家說,多數時候,你必須將不同的材料結合起來才能造出自旋玻璃。例如上面提及的鐵和銅的混合物。然而,釹(Neodymium)是一種無需混合其它材料也可形成自旋玻璃的化學元素。而且,當加熱時,這種磁材會凍結。

意外現象

研究人員7月4日在《自然·物理學》上發表了對這一現象的研究。他們將釹從 -268⁰C 加熱到 -265⁰C。僅僅加熱3度,磁性材料的自旋就會凍結成固定樣式從而具有整體磁性。如果再次降溫,原子的自旋則又返回到通常的無序無磁狀態。

正如上文所及,這現象很奇異,因為這種磁自旋的凍結通常只發生在冷卻而不是加熱的時候。這是研究人員沒有料到的。通常,較高的溫度會增加固體、液體或氣體中的能量,磁性材料也是如此。

當提高溫度時,原子的自旋通常會開始顫抖,從而產生更多隨機自旋。但是,對於釹這種材料而言,加熱反而會讓其磁性自旋凍結。自然界中這些現象並不常見。而且,當其出現時,就完全顛覆了人們的認知。

物理學家說,這種行為是物理學上簡併(degeneracy)概念的一個例子。這基本上是說,許多不同的狀態可以具有相同的能量,當系統達到某個溫度時,導致它進入一個特殊模式。釹磁性材料的凍結就是一個很好的例子。#

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