Die Zeit hat uns gelehrt, dass die Aggregatzustände, die wir aus der Schule kennen (Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase und Plasma) sind nur die Spitze des Eisbergs. In den Tiefen der Quantenphysik und magnetischer Materialien liegen exotische Phasen, die die Technologien der Zukunft revolutionieren könnten. Dies ist der Fall bei der jüngsten Entdeckung von Physikern Weiguo Yin e Alexei Zwelik des Restaurants Brookhaven National Laboratory, der eine neue Phase in einem eindimensionalen Ferrimagneten identifizierte: einen Zustand namens „halb Eis, halb Feuer“.
Diese außergewöhnliche Konfiguration besteht aus einem Muster elektronischer Spins, in denen hochgeordnete Zustände koexistieren (eiskalt) und stark ungeordnet (heiß wie Feuer). Die Geschichte dieser Entdeckung, veröffentlicht in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters, basiert auf über einem Jahrzehnt Forschung und stellt einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis magnetischer Materialien dar.
Ein kleiner Schritt zurück: Was ist ein Ferrimagnet in wenigen (und hoffentlich einfachen) Worten?
Stellen Sie sich ein Tauziehen-Team vor, bei dem 5 Personen auf der einen Seite und 3 auf der anderen Seite ziehen. Das Seil bewegt sich auf die Seite mit mehr Personen, aber auf beiden Seiten bleibt die Spannung bestehen. Der Ferrimagnet ist wie diese Saite, er hat einen „Netto“-Magnetismus, auch wenn die inneren Magnetkräfte sich gegenseitig ein wenig „entgegenwirken“.
Kurz gesagt: ein Ferrimagnet Es handelt sich um ein Material, dessen Atome auf mikroskopischer Ebene in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtete magnetische Momente aufweisen. ma Momente in einer Richtung sind stärker als in der anderen.
Eine Reise, die vor zehn Jahren begann
Die Entdeckung dieser neuen Phase der Materie kam nicht aus dem Nichts. Die Reise begann im Jahr 2012, als Yin und Tsvelik Teil einer multiinstitutionellen Zusammenarbeit unter der Leitung des Physikers waren John Hill des Brookhaven Lab. Die Gruppe untersuchte eine magnetische Verbindung namens Sr3CuIrO6 (ein Material auf Basis von Strontium, Kupfer, Iridium und Sauerstoff). Diese Arbeit führte auch zu zwei Veröffentlichungen in Physical Review Letters, eine experimentell orientierte im Jahr 2012 und eine theorieorientierte im Jahr 2013.
Trotz ihrer umfangreichen Recherchen fehlte jedoch immer noch etwas. Wie Tsvelik betont,
„Auch nach unseren umfangreichen Recherchen wussten wir noch nicht, wie dieser Zustand genutzt werden könnte.“
Es war seit einem Jahrhundert bekannt, dass Isings mathematisches Modell, das den Zustand „halb Feuer, halb Eis“ erzeugte, Phasenübergänge bei endlichen Temperaturen nicht berücksichtigte. Es fehlten wichtige Puzzleteile.
Yin hat vor Kurzem einen Hinweis auf die fehlenden Teile gefunden. In zwei Veröffentlichungen zeigte er, dass der „verbotene“ Phasenübergang durch ein ultraschmales Crossover-Phänomen bei einer festen endlichen Temperatur erreicht werden kann.
In noch einfacheren Worten? Yin entdeckte, dass man das System „austricksen“ kann, sodass eine Transformation auf eine ganz bestimmte, kontrollierte Art und Weise bei einer bestimmten Temperatur stattfindet, selbst wenn sie unmöglich erscheint. Es ist, als würde man einen Geheimgang von Punkt A nach Punkt B finden, selbst wenn der direkte Weg blockiert ist.
Wenn Eis und Feuer die Plätze tauschen
In ihrer aktuellen Forschung fanden Yin und Tsvelik heraus, dass „halb Feuer, halb Eis“ einen verborgenen, entgegengesetzten Zustand hat, in dem die heißen und kalten Spins ihre Positionen tauschen. Mit anderen Worten: Heiße Spins werden kalt und kalte Spins werden heiß.
Das Modell zeigt, dass der Übergang zwischen den Phasen in einem extrem engen Temperaturbereich stattfindet, und die Forscher haben bereits mögliche zukünftige Anwendungen vorgeschlagen. Beispielsweise könnte dieses Phänomen des ultrapräzisen Schaltens mit einer gigantischen Änderung der magnetischen Entropie für die Kältetechnik nützlich sein. Darüber hinaus könnte es die Grundlage für eine neue Art von Quanteninformationsspeichertechnologie bilden, bei der Phasen als Bits fungieren.
Ferrimagnet und die „Halb Eis, halb Feuer“-Phase: Auswirkungen und Zukunftsaussichten
Die Entdeckung dieser neuen Phase der Materie ist bedeutsam. Nicht nur, weil es noch nie zuvor beobachtet wurde, sondern auch, weil es in der Lage ist, bei einer angemessenen, endlichen Temperatur einen extrem schnellen Phasenwechsel im Material herbeizuführen.
„Das Auffinden neuer Zustände mit exotischen physikalischen Eigenschaften und die Fähigkeit, die Übergänge zwischen diesen Zuständen zu verstehen und zu kontrollieren, sind zentrale Probleme in den Bereichen der Festkörperphysik und der Materialwissenschaft“, sagte Yin.
„Die Lösung dieser Probleme könnte zu großen Fortschritten in Technologien wie Quantencomputern und Spintronik führen.“
Tsvelik fügte hinzu:
„Wir gehen davon aus, dass unsere Erkenntnisse neue Wege zum Verständnis und zur Kontrolle von Phasen und Phasenübergängen in bestimmten Materialien eröffnen könnten.“
Der nächste Schritt für die Forscher wird darin bestehen, das „Feuer-Eis“-Phänomen in Systemen mit Quantenspins und zusätzlichen Gitter-, Ladungs- und Orbitalfreiheitsgraden zu untersuchen. Wie er sagte Yin„Die Tür zu neuen Möglichkeiten steht jetzt weit offen.“
Was mich beeindruckt, ist, dass diese Entdeckung ein perfektes Beispiel dafür ist, wie überraschend und unvorhersehbar Grundlagenforschung sein kann. Was als Untersuchung eines einfachen eindimensionalen Modells begann, hat eine physikalisches Phänomen völlig neu, mit potenziellen Anwendungen, die von Energietechnologien bis hin zum Quantencomputing reichen.
Manchmal verbergen sich gerade in den einfachsten Systemen die faszinierendsten Komplexitäten der Natur.
