充滿異域風情已被發現潛伏在過去十年在磁性化合物中發現的先前奇異狀態中。
2016年，美國布魯克海文國家實驗室的物理學家尹偉國、克里斯托弗·羅斯和阿列克謝·茨維利克發現了他們所謂的“一半火，一半冰Sr 中自旋態的相3氧化銅6，鍶、銅、銥和氧的混合物。
現在，他們發現了相反的情況：半冰半火階段，其中兩種不同結構內的電子交換行為。
這一發現的關鍵是一個被稱為挫敗感的概念，它是對相鄰粒子之間相互作用的描述。改變拼圖的一塊，行為的改變可以作為相移而波及整個棋盤。
在該團隊的半火半冰材料中，銅原子晶格上的電子自旋像地獄中閃爍的火焰一樣無序。那些銥位點被凍結在適當的位置，從而賦予它們更強的磁力。
根據相移的數學標準，讓這個陣型移動似乎是不可能的。然而，一項重要的發現讓研究小組發現了明顯的溫度變化，從而使整個州發生了逆轉。
這種可逆性正是 Yin 和 Tsevik 所尋求的突破——解鎖 Sr 的關鍵3氧化銅6量子信息科學和微電子學的潛力。
“尋找具有奇異物理特性的新狀態，並能夠理解和控制這些狀態之間的轉變，是凝聚態物理和材料科學領域的核心問題，”尹說。
“解決這些問題可能會帶來技術的巨大進步，例如和自旋電子學。 ”
磁性材料可以採取幾種不同的形式。在傳統的鐵磁材料中，例如鐵，其中顆粒的自旋都沿同一方向排列。亞鐵磁體是一種具有兩種自旋態的磁體，例如 Sr3氧化銅6。
正如該團隊在 2016 年發現的 2024 年論文中所闡述的那樣，這種奇怪的半火半冰相可以由外部磁場引起，而且非常引人注目。銅自旋陷入無序的混亂狀態，而銥自旋則像士兵一樣整齊排列。
這非常有趣，但其本身並沒有多大用處。例如，量子比特——量子計算的基本單位——可以是基於電子自旋，但是這些旋轉需要能夠顯示不同的值二元系統。而可調諧量子位——自旋可以被操縱的量子位——甚至更有用。
“儘管我們進行了廣泛的研究，但我們仍然不知道如何利用這種狀態，特別是因為一個世紀以來眾所周知，一維伊辛模型是一種既定的鐵磁性數學模型，可產生半火、半冰狀態，不存在有限溫度相變，”茨維利克解釋說。
“我們缺少拼圖的碎片。”
這些片段在團隊的新作品中融合在一起。他們發現，在一個非常狹窄、有限的溫度範圍內潛伏著一個隱藏的半火半冰的孿生體；也就是說，一半是冰，一半是火，其中銅變得有序，而銥則陷入混亂。
這不僅為未來研究隱藏相及其轉變開闢了途徑；這也意味著可以嚴格控制相變，從而開闢了整個潛在量子應用領域。
然而，值得注意的是，這只是旅程中的一步。
“接下來，我們將探索具有量子自旋和附加晶格、電荷和軌道自由度的系統中的火冰現象，”尹說。 “新可能性的大門現已敞開。”
該研究發表於物理評論快報。
