摘要：电子上下旋转的概念图。科学家们描述了一种“半冰半火”的物质状态，它利用了相反的电子自旋。 （图片来源：THOM LEACH / SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）

美国政府科学家开发了一种被称为“半冰半火”的新物质相，它将相反的电子自旋结合在一个独特的磁铁中。

电子上下旋转的概念图。科学家们描述了一种“半冰半火”的物质状态，它利用了相反的电子自旋。 （图片来源：THOM LEACH / SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）

物理学家发现了一种被称为“半冰半火”的物质新阶段，它可能为量子计算等领域的新进展打开大门。

新相结合了原子内电子的许多“向上”自旋，这些电子是高度有序的，被称为冷循环，以及许多“向下”自旋，这些电子是高度无序的，被称为热循环——因此该相获得了“一半冰，一半火”的绰号。

“半冰半火”是一项重大发现，不仅因为它的新颖性，还因为它可以在合理的温度下在相之间产生急剧的切换。这是布鲁克海文国家实验室的同一团队——物理学家尹伟国和阿列克谢·茨维利克，以及他们当时的实习生——在 2016 年首次观察到的“半火半冰”状态的孪生兄弟。

该团队表示，这些发现为物理学和材料科学中的一些核心问题提供了见解，并提高了识别具有奇异特性的新物质状态并纵这些状态之间过渡的能力。

“解决这些问题可能会导致量子计算和自旋电子学等技术的巨大进步，”Yin 在布鲁克海文国家实验室的一份声明中说。Tsvelik 补充说，该团队的发现“可能为理解和控制某些材料的相和相变打开一扇新的大门”。

Yin 和 Tsvelik 在研究一种称为铁磁体的磁性材料时首次发现了“一半冰，一半火”。铁磁体具有具有相反磁矩的原子群，但由于原子群数量不相等，因此仍然存在一些磁化强度。

观察到“半冰半火”的特定铁磁体是 Sr3CuIrO6，一种由锶、铜、铱和氧组成的化合物。该团队最初发现“一半火，一半冰”的材料相同，他们通过将材料暴露在外部磁场中来诱导或导致亚铁磁体内部发生这种现象。在“半火半冰”中，铜位点上发生热自旋，磁运动较小，而铱位产生磁运动较大的冷自旋。

此图显示了“半冰、半火”和“半火、半冰”状态的图形解释（左）。绘图（右）显示了磁场 （h） 与温度 （T） 平面的磁熵变化。零温度下的黑点表示半燃半冰状态出现的位置。虚线表示半冰半火状态的隐藏位置。（图片来源：布鲁克海文国家实验室）

虽然这是一个令人兴奋的发现，但 Tsvelik 承认这只是第一步。

“尽管我们进行了广泛的研究，但我们仍然不知道如何利用这个州，”他说。“我们缺少拼图的碎片。”

现在，由 Yin 牵头的最新工作揭示了“一半火，一半冰”具有一种隐藏的相反状态，在这种状态中，热旋转和冷旋转交换位置。该团队确定了一个极其狭窄的温度范围，在其中发生相之间的切换，这对许多领域都有很好的影响。

从商业上讲，这种超尖锐的相位切换可能会导致制冷技术的进步。甚至可以在量子信息存储的新方法中将相本身用作比特。“通往新可能性的大门现在已经敞开着，”Yin 说。

该团队对新阶段的研究于 2024 年 12 月发表在《物理评论快报》杂志上。

来源：火鸟与小鱼