Materialul magnetic care „îngheață” la căldură i-a surprins pe fizicieni

Atunci când materialele magnetice dezordonate sunt răcite la temperatura potrivită, se întâmplă ceva interesant. Orientările atomilor lor „îngheață” și materialele se blochează într-un model static, manifestând un comportament cooperant care nu este de obicei afișat. Materialul magnetic care „îngheață” la căldură face exact opusul.

Atunci când este încălzit fracționat, elementul magnetic natural neodim îngheață, dând peste cap toate așteptările noastre.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

„Comportamentul magnetic al neodimului pe care l-am observat este de fapt opusul a ceea ce se întâmplă ‘în mod normal’”, a spus fizicianul Alexander Khajetoorians, de la Universitatea Radboud, din Olanda.

„Este destul de contraintuitiv, cum ar fi o apă care devine cub de gheață atunci când este încălzită”, spune Khajetoorians, citat de Science Alert.

Materialul magnetic care „îngheață” la căldură nu seamănă cu alte materiale

Într-un material feromagnetic convențional, cum ar fi fierul, orientările magnetice ale atomilor se aliniază toate în aceeași direcție; adică polii lor magnetici nord și sud sunt orientați la fel în spațiul tridimensional.

Dar în unele materiale, cum ar fi unele aliaje de cupru și fier, orientările sunt în schimb destul de aleatorii. Această stare magnetică este cunoscută sub numele de „spin glass”.

Probabil vei spune că „neodimul este bine cunoscut pentru că produce magneți excelenți” și ai avea dreptate… dar trebuie amestecat cu fier pentru ca orientările să se alinieze. Neodimul pur nu se comportă ca alți magneți.

Cu doar doi ani în urmă, fizicienii au stabilit că acest material este, de fapt, cel mai bine descris ca având o stare de spin glass auto-indusă.

Cum se comportă neodimul la schimbările de temperatură?

Când încălzești un material, creșterea temperaturii crește energia din acel material. În cazul magneților, acest lucru crește mișcarea orientărilor. Dar se întâmplă și contrariul: când răcești un magnet, orientările încetinesc.

Pentru materialele spin glass, temperatura de îngheț este punctul în care orientările se comportă asemănător cu un feromagnet convențional.

Condusă de fizicianul Benjamin Verlhac, de la Universitatea Radboud, o echipă de oameni de știință a vrut să cerceteze modul în care se comportă neodimul la schimbările de temperatură.

Nu se știe precis de ce materialul magnetic care „îngheață” la căldură face acest lucru

În mod interesant, ei au descoperit că creșterea temperaturii neodimului de la -268 grade Celsius la -265 grade Celsius a indus starea de „înghețare” observată de obicei la răcirea unui material spin glass.

Atunci când oamenii de știință au răcit materialul magnetic care „îngheață” la căldură, orientările au căzut din nou în dezordine.

Nu este clar de ce se întâmplă acest lucru, deoarece este foarte rar ca un material natural să se comporte într-un mod „greșit”, spre deosebire de modul în care se comportă toate celelalte materiale de același fel. Cu toate acestea, oamenii de știință cred că poate avea de-a face cu un fenomen numit frustrare geometrică.

Aceasta apare în momentul în care un material nu poate atinge o stare ordonată, rezultând o stare de bază dezordonată, așa cum vedem în materialele spin glass.

Este posibil, au spus cercetătorii, ca neodimul să aibă anumite corelații în starea sa de spin glass care depind de temperatură. Creșterea temperaturii le slăbește, ceea ce duce la slăbirea frustrării, permițându-le orientărilor să se alinieze.

Studiul ar putea fi util și în cazul altor materiale

Investigații ulterioare ar putea dezvălui mecanismul din spatele acestui comportament ciudat în care ordinea iese din dezordine la adăugarea de energie. Cercetătorii notează că acest lucru are implicații care merg cu mult dincolo de fizică.

„Această ‘înghețare’ într-un model nu are loc în mod normal în materialele magnetice”, a explicat Khajetoorians.

„Dacă în cele din urmă putem modela modul în care se comportă aceste materiale, acest lucru ar putea fi extrapolat la comportamentul unei game largi de alte materiale”, spune Khajetoorians.

Cercetarea a fost publicată în Nature Physics.

Vă recomandăm să citiți și:

Ce se va întâmpla cu omenirea dacă polii magnetici ai Pământului se vor inversa?

Tatuajul electronic care măsoară tensiunea arterială ar putea oferi o monitorizare continuă și mobilă

Astronomii au combinat, în premieră, puterea a 64 de radiotelescoape pentru a observa structura Universului

Putem gândi fără să folosim limbajul? „O dilemă la fel de veche ca omenirea”