发现液体磁性的堆叠煎饼

物理学家发现了“液体磁性的堆叠煎饼”，这可能解释了一些分层螺旋磁铁的奇怪电子行为。

科学家说，模拟的磁性行为与螺旋磁铁实验的结果一致。

研究中的材料在低温下是磁性的，并且在解冻时变得非磁性。E

爱荷华州立大学艾姆斯国家实验室的实验物理学家Makariy Tanatar注意到层状螺旋磁晶体中令人困惑的电子行为，并将这一奥秘引起了莱斯理论物理学家Andriy Nevidomskyy的注意，他与Tanatar和前莱斯研究生Matthew Butcher合作创建了一个计算模型，模拟层状材料中原子和电子的量子态。

磁性材料在升温并变得非磁性时会经历“解冻”转变。

研究人员对螺旋磁铁中的这种转变进行了数千次蒙特卡罗计算机模拟，并观察了材料内部原子的磁偶极子在解冻期间如何排列。

他们的研究结果发表在最近的《物理评论快报》上。

在亚微观水平上，所研究的材料由数千个2D晶体组成，这些晶体像笔记本中的页面一样堆叠在另一个上。在每个晶片中，原子排列在晶格中，物理学家模拟了晶片内部和之间的量子相互作用。

“我们习惯于认为，如果你拿一个固体，比如一块冰，你加热它，最终它会变成液体，在更高的温度下，它会蒸发并变成气体，”物理学和天文学副教授、赖斯量子倡议成员Nevidomskyy说。

“类似的类比可以用磁性材料进行，只是没有真正意义上的东西会蒸发。

“水晶仍然完好无损，”他说。“但是如果你看看小磁偶极子的排列 - 就像罗盘针 - 它们以相关的排列开始，这意味着如果你知道其中一个指向哪个方向，你可以确定它们中的任何一个指向哪个方向，无论它在格子中有多远。

“这就是磁性状态 - 我们类比中的固体。随着你的升温，偶极子最终将变得完全独立或随机，相对于彼此。这被称为顺磁体，类似于气体。

Nevidomskyy说，物理学家通常认为材料要么有磁性秩序，要么缺乏磁性秩序。

“从经典的角度来看，一个更好的类比是一块干冰，”他说。

“它有点忘记了液相，直接从冰变成气体。这就是教科书中磁跃迁通常的样子。我们被教导说，你从相关的东西开始，比如说铁磁体，在某个时候，阶数参数消失了，你最终得到一个顺磁体。

埃姆斯超导和磁性低温实验室的研究科学家Tanatar发现，螺旋磁铁从磁序到无序的转变以瞬相为标志，其中电子特性(如电阻)因方向而异。

例如，如果从一侧到另一侧水平测量，而不是从上到下垂直测量，则它们可能会有所不同。这种定向行为，物理学家称之为各向异性，是许多量子材料(如高温超导体)的标志。

研究层状材料的磁性

“这些分层材料在垂直和水平方向上看起来不一样，”Nevidomskyy说。“这就是各向异性。Makariy的直觉是，各向异性正在影响磁性在材料中的熔化方式，我们的建模证明这是真的，并说明了为什么会发生。

该模型表明，材料在从磁序过渡到无序时会经过中间相。在该阶段，片内的偶极相互作用比它们之间的相互作用要强得多。

此外，偶极子之间的相关性类似于液体，而不是固体。结果是“像煎饼一样堆叠起来的磁性液体扁平的水坑，”Nevidomskyy说。在每个水坑状煎饼中，偶极子大致指向相同的方向，但这种方向感在相邻的煎饼之间有所不同。

“这是一堆原子，它们的偶极子指向同一个方向，”Nevidomskyy说。“但是，如果你往上走一层，它们都指向不同的随机方向。

材料中的原子排列“挫败”偶极子，并使它们无法在整个材料中沿均匀方向对齐。相反，各层中的偶极子会移动，根据相邻煎饼的变化略微旋转，从而改变磁性。

“挫败感使箭头，这些磁偶极子很难决定他们想要指向的位置，在一个或另一个角度，”Nevidomskyy说。“为了缓解这种挫败感，它们倾向于在每一层中旋转和移动。

塔纳塔尔说：“这个想法是你有两个相互竞争的磁相。它们正在相互争斗，因此这些阶段的转变温度低于没有竞争时的温度。在这种竞争场景中，导致磁序的现象与没有这种竞争时的现象不同。

Tanatar和Nevidomskyy说，虽然这一磁性发现没有立即应用，但它可能为其他各向异性材料(如高温超导体)仍然无法解释的物理学提供线索。

尽管有这个名字，但高温超导发生在非常冷的温度下。一种理论认为，当材料在量子临界点附近冷却时，它们可能会变成超导体，这个温度足以抑制长程磁序并引起强量子涨落带来的效应。

例如，几种磁性“母体”材料已被证明具有接近磁性消失的量子临界点的超导性。

“一旦你抑制了主要效应，即远程磁序，你可能会让位于超导等较弱的效应，”塔纳塔尔说。

“这是非常规超导性的主要理论之一。在我们的研究中，我们表明你可以以不同的方式做同样的事情，挫折或竞争互动。