发现潜伏在磁铁中的新的“半冰半火”物质相

异国情调物质状态被发现潜伏在先前的外来状态中，该状态在过去十年中在磁性化合物中发现。

2016 年，美国布鲁克海文国家实验室的物理学家 Weiguo Yin、Christopher Roth 和 Alexei Tsvelik 确定了他们所说的”半火半冰“ Sr 中自旋态的相₃铜IrO₆，是锶、铜、铱和氧的混合物。

现在，他们发现了相反的情况：半冰半开相，其中两种不同结构中的电子交换行为。

这一发现的关键是一个被称为挫折的概念，它描述了相邻粒子之间的相互作用。改变拼图的一块，行为的变化可能会像相移一样在整个过程中产生涟漪。

在该团队的半火半冰材料中，铜原子晶格上的电子自旋像地狱中闪烁的火焰一样无序。那些铱位点被冻结在原地，使它们具有更强的磁力。

根据相移的数学标准，让这个阵型移动似乎是不可能的。然而，一个关键的发现使该团队发现了温度的明确变化，使整个州发生了翻天覆地的变化。

这种可逆性是 Yin 和 Tsevik 一直在寻找的突破口——解锁 Sr 的关键₃铜IrO₆量子信息科学和微电子学的潜力。

“寻找具有奇特物理特性的新态——并能够理解和控制这些态之间的转变——是凝聚态物理学和材料科学领域的核心问题。”尹 说.

“解决这些问题可能会导致技术的巨大进步，例如量子计算和自旋电子学。

磁性材料可以有几种不同的形式。在传统的铁磁材料（例如铁）中，其中粒子的自旋都沿同一方向排列。铁磁体是具有两种自旋态的磁体，例如 Sr₃铜IrO₆.

正如该团队在 2024 年关于他们 2016 年发现的论文中所阐述的那样，这种奇怪的、半火半冰的相可以由外部磁场感应，而且非常引人注目。铜旋落入无序的杂乱无章中，而铱星旋转则像士兵一样全神贯注。

这很有趣，但本身并没有太大的用处。例如，量子比特（量子计算的基本单位）可以是基于电子自旋，但这些自旋需要能够显示二进制系统.而可调谐量子比特（其自旋可以纵的量子比特）甚至更有用。

“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种状态，特别是因为一个世纪以来人们已经知道一维 Ising 模型，一种已建立的铁磁性数学模型，可产生半火半冰态，并不具有有限温度相变，”茨维利克解释说.

“我们缺少拼图的碎片。”

这些部分已经汇集到团队的新工作中。他们发现，在一个非常狭窄、有限的温度范围内，隐藏着一对半火半冰的双胞胎;也就是说，半冰半火，其中铜变得有序，铱陷入混乱。

这不仅为未来研究隐藏阶段及其转变开辟了途径;这也意味着可以严格控制相变，从而开辟了整个潜在量子应用领域。

然而，重要的是要注意，这只是旅程中的一个步骤。

“接下来，我们将探索具有量子自旋和附加晶格、电荷和轨道自由度的系统中的火冰现象，”尹 说.“通往新可能性的大门现在已经敞开。”

该研究已发表在物理评论信.

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