新模型揭示磁性材料“半冰半火”相态秘密

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布鲁克海文国家实验室近期发布消息，物理学家在研究一维亚铁磁材料模型时，发现并阐释了一种前所未见的“半冰半火”物质新相态，相关成果发表在《物理评论快报》。这一发现填补了凝聚态物理学领域的认知空白，并有望推动量子计算和自旋电子学技术发展。

这种新相态展现出电子自旋的独特排列模式：部分自旋高度有序（“冷”自旋），部分自旋高度无序（“热”自旋），两者兼而有之，故名“半冰半火”。其显著之处在于，在有限温度下，材料内部相态能实现极快速的切换。

研究人员指出，发现并理解新奇物态及其转变是凝聚态物理和材料科学的核心目标。这项研究始于2012年对锶铜铱氧化物的研究。2016年，他们首次观察到“半火半冰”相态：铜原子自旋无序跳跃，而铱原子自旋则保持稳定。同一材料、同一温度下，不同位置的电子展现出截然不同的行为。

早期的理论模型认为，“半火半冰”相态在有限温度下不可能存在。直到最近，研究人员才通过构建新的数学模型，揭示了量子隧穿效应在极窄温度范围内促成这种相态转变。

“半冰半火”相态实质上是“半火半冰”的镜像状态，两者只是“冷”自旋和“热”自旋的位置互换。模型显示，相态切换发生在极窄的温度区间内，这为未来应用提供了可能性。例如，“半火半冰”的超锐相切换特性可用于新型制冷技术；其相态转变也可能成为新型量子信息存储技术的基石，其中不同的相态可代表不同的比特。

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