Physiker sind überrascht über dieses magnetische Material, das beim Erhitzen „einfriert“.

Wenn ungeordnete magnetische Materialien auf genau die richtige Temperatur abgekühlt werden, passiert etwas Interessantes. Die Spins ihrer Atome „frieren“ ein und rasten in einem statischen Muster ein, wobei sie ein kooperatives Verhalten zeigen, das normalerweise nicht zu beobachten ist.

Jetzt haben Physiker erstmals das Gegenteil gesehen. Bei teilweiser Erwärmung gefriert das natürlich vorkommende magnetische Element Neodym und stellt alle unsere Erwartungen auf den Kopf.

„Das magnetische Verhalten von Neodym, das wir beobachtet haben, ist tatsächlich das Gegenteil von dem, was ‚normalerweise‘ passiert.“ sagte der Physiker Alexander Khajetoorians der Radboud-Universität in den Niederlanden.

„Es ist ziemlich kontraintuitiv, wie Wasser, das beim Erhitzen zu einem Eiswürfel wird.“

In einem herkömmlichen ferromagnetischen Material wie Eisen richten sich die magnetischen Spins der Atome alle in die gleiche Richtung aus; das heißt, ihre magnetischen Nord- und Südpole sind im dreidimensionalen Raum gleich ausgerichtet.

Aber in manchen Materialien, wie zum Beispiel einigen Legierungen aus Kupfer und Eisen, sind die Spins eher zufällig. Dieser Zustand wird als Spinglas bezeichnet.

Sie denken vielleicht: „Aber Neodym ist dafür bekannt, hervorragende Magnete herzustellen“, und Sie haben Recht ... aber es muss mit Eisen gemischt werden, damit sich die Spins ausrichten. Reines Neodym verhält sich nicht wie andere Magnete; Erst vor zwei Jahren stellten Physiker fest, dass dieses Material tatsächlich am besten als beschrieben werden kann selbstinduziertes Spinglas .

Nun scheint es, dass Neodym noch seltsamer ist, als wir dachten.

Wenn Sie ein Material erhitzen, erhöht der Temperaturanstieg die Energie in diesem Material. Bei Magneten erhöht sich dadurch die Bewegung der Spins. Aber auch das Gegenteil passiert: Wenn man einen Magneten abkühlt, verlangsamen sich seine Spins.

Bei Spingläsern ist die Gefriertemperatur der Punkt, an dem sich das Spinglas eher wie ein herkömmlicher Ferromagnet verhält.

Unter der Leitung des Physikers Benjamin Verlhac von der Radboud-Universität wollte ein Wissenschaftlerteam untersuchen, wie sich Neodym bei wechselnden Temperaturen verhält. Interessanterweise fanden sie heraus, dass eine Erhöhung der Temperatur von Neodym von -268 Grad Celsius auf -265 Grad Celsius (-450,4 bis -445 Fahrenheit) den Gefrierzustand hervorrief, der normalerweise beim Abkühlen eines Spinglases auftritt.

Als die Wissenschaftler das Neodym wieder abkühlten, gerieten die Spins erneut in Unordnung.

Es ist unklar, warum dies geschieht, da es sehr selten vorkommt, dass sich ein natürliches Material „falsch“ verhält, im Gegensatz zu allen anderen Materialien seiner Art. Allerdings gehen die Wissenschaftler davon aus, dass es sich möglicherweise um ein Phänomen namens Frustration handelt.

Dies liegt vor, wenn ein Material nicht in der Lage ist, einen geordneten Zustand zu erreichen, was zu einem ungeordneten Grundzustand führt, wie wir ihn bei Spingläsern sehen.

Es sei möglich, so die Forscher, dass Neodym bestimmte Korrelationen in seinem Spin-Glas-Zustand aufweist, die von der Temperatur abhängen. Eine Erhöhung der Temperatur schwächt diese und damit auch die Frustration und ermöglicht es den Spins, sich in eine Ausrichtung zu bringen.

Weitere Untersuchungen könnten den Mechanismus hinter diesem seltsamen Verhalten aufdecken, bei dem durch die Zugabe von Energie Ordnung aus Unordnung entsteht; Die Forscher stellen fest, dass dies Auswirkungen hat, die weit über die Physik hinausgehen.

„Dieses ‚Einfrieren‘ des Musters kommt bei magnetischem Material normalerweise nicht vor.“ Khajetoorianer  erklärt .

„Wenn wir letztendlich modellieren können, wie sich diese Materialien verhalten, könnte dies auch auf das Verhalten einer Vielzahl anderer Materialien übertragen werden.“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik .