當無序的磁性材料冷卻到剛好隊的溫度上時，發生了一些有趣的事。它們原子的自旋（spin）「凍住」了，並以靜態模式中鎖定到位，展現出通常不會呈現的合作行為。而現在第一次，物理學家們看到了相反的事。當部份地加熱時，自然產生的磁性材料釹（neodymium，Nd）凍住，顛倒所有我們所預期看到的現象。
超出預期
在典型的鐵磁性（ferromagnetic）材料，例如鐵中，原子的磁自旋都排列在同一個方向上；也就是說，在三維空間中，它們的南北磁極是在相同方向上的。但是在某些材料，例如一些銅與鐵的合金當中，自旋方向反而是相當隨機。這個狀態是我們所熟知的自旋玻璃（spin glass）。
位於荷蘭的奈梅亨拉德堡德大學（Radboud University Nijmegen）的物理學家亞歷山大·卡捷托利安教授（Alexander Khajetoorians）說：「我們所觀察到在 Nd 中的磁性行為，實際上是『通常』會發生的相反結果。這相當違反直覺，就像當你加熱時，水會變成冰塊一樣。」
你可能在想說，Nd 因為可以製作出很棒的磁鐵而聞名，而你也是對的……但是它必須與鐵混在一起，才能讓自旋排列在同方向上。純 Nd 並非表現得跟其他磁鐵一樣：直到兩年前，物理學家們才決定說事實上，最好描述這個材料為自感自旋玻璃（self-induced spin glass）。而現在看起來，Nd 似乎比我們所想的還要更奇怪。
現象描述
當對一種材料加熱時，溫度的上升會增加材料中的能量。在磁鐵的例子中，這會增加自旋的動作。但是相反的現象也會發生：當將磁鐵冷卻下來時，自旋會慢下來。對自旋玻璃來說，凝固點是當自旋玻璃表現地更像典型的鐵磁的溫度。
由奈梅亨拉德堡德大學的物理學家班傑明·維爾哈奇博士後（Benjamin Verlhac）所領導的科學家團隊想要測試看看，在改變的溫度之下，Nd 如何表現。有趣地是，他們發現將 Nd 的溫度從攝氏 -268 度上升到 -265 度，會誘導出通常在冷卻自旋玻璃時所會看到的凍住狀態。當科學家們將 Nd 冷卻回去時，自旋又再一度變得無序。
還不清楚這為何會發生，因為與所有其他同類材料的行為方式相反，一種自然的材料以「錯誤」的方式表現是很罕見的。然而，科學家們相信，這很有可能與一個稱作不穩定性（frustration）的現象有關。
這是指說當一種材料無法達到有序狀態，導致無序的基態，比如說我們在自旋玻璃中看到的那樣。研究人員說，Nd 在其自旋玻璃態中，有可能有特定的相關性，是取決於溫度的。升溫會弱化這些相關性，因此導致不穩定性，讓自旋排列於同個方向上。
未來方向
進一步的調查可能可以揭開這個奇異行為背後的機制，也就是為何增加了能量後，會從無序變到有序。研究人員註記說，這具有遠遠超出物理學的影響。
卡捷托利安教授解釋說：「這種『凍住』的模式，通常不會在磁性材料中發生。如果我們最終可以建立這些材料如何表現的模型，那麼這就可以被外推到各種其他材料的行為上。」
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參考資料：
- Starr, M., (2022, July 4). Physicists Are Startled by This Magnetic Material that ‘Freezes’ When Heated. ScienceAlert
- Verlhac, B. et al., (2022, July 4). Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium. Nature Physics. doi.org/10.1038/s41567-022-01633-9
- 圖片來源：https://www.sciencealert.com/this-magnetic-material-freezes-when-heated-in-a-reversal-of-our-expectations（圖：Clarence Risher/Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0）
