En ny exotisk fas av materia har upptäckts av forskare vid Brookhaven National Laboratory i USA. Denna fas, som kallas ”hälften is, hälften eld” (half ice, half fire), utgör ett betydande genombrott inom materialvetenskap och kondenserade materiens fysik. Den karaktäriseras av en unik kombination av högordnade och oordnade elektronspinn och visar potential för banbrytande tillämpningar inom kvantberäkning och andra avancerade teknologier. Upptäckten är särskilt anmärkningsvärd eftersom den kan åstadkomma skarpa fasövergångar vid rimliga temperaturer, vilket öppnar dörren för innovativa applikationer inom energi- och informationsteknologi.
Vad är ”hälften is, hälften eld”?
Den nyupptäckta fasen ”hälften is, hälften eld” representerar ett tidigare okänt mönster av elektronspinn – de små ”upp” eller ”ner” magnetiska momenten som bärs av varje elektron. Forskarna Weiguo Yin och Alexei Tsvelik upptäckte denna fas medan de studerade en endimensionell modell av en typ av magnetiskt material som kallas ferrimagnet[2]. I denna fas kombineras högordnade elektronspinn, som kallas ”kalla” cykler, med högst oordnade elektronspinn, som kallas ”varma” cykler, vilket ger fasen dess beskrivande smeknamn[1].
Till skillnad från traditionella magnetiska material, där elektronspinn vanligtvis är antingen helt ordnade eller helt oordnade, uppvisar ”hälften is, hälften eld” en kombination av båda tillstånden samtidigt. Detta skapar en unik situation där vissa elektron-spinn är ”frysta” i en specifik riktning (den ”kalla” eller ”is”-delen), medan andra spinn är kaotiska och slumpmässiga (den ”varma” eller ”eld”-delen)[3].
Denna fas upptäcktes i ett specifikt magnetiskt material kallat ferrimagnet, som har populationer av atomer med motsatta magnetiska moment. Eftersom populationerna är ojämna kvarstår viss magnetisering[1]. Mer specifikt upptäcktes detta fenomen när forskarna studerade Sr3CuIrO6, en magnetisk förening av strontium, koppar, iridium och syre[6][9].
Tvillingfaserna: ”Hälften eld, hälften is” och ”Hälften is, hälften eld”
Den nyupptäckta ”hälften is, hälften eld”-fasen är faktiskt tvillingen till ”hälften eld, hälften is”-tillståndet som först observerades av samma team vid Brookhaven National Laboratory 2016[1][7]. I det ursprungliga ”hälften eld, hälften is”-tillståndet är elektronspinn på kopparatomplatser i det atomära gallret ”varma” (högst oordnade med mindre magnetiska moment), medan spinn på iridiumplatser är ”kalla” (helt ordnade med större magnetiska moment)[9].
I den nya ”hälften is, hälften eld”-fasen byter de varma och kalla spinnen positioner – kopparplatserna blir ”frysta” medan iridiumplatserna blir ”heta” med slumpmässigt pekande spinn[9]. Denna växling mellan de två tillstånden är mycket skarp och sker inom ett extremt smalt temperaturintervall[4][10].
”Hälften is, hälften eld är en betydande upptäckt inte bara på grund av dess nyhet utan också eftersom den kan producera skarp växling mellan faser vid rimliga temperaturer,” förklarar forskarna i sin studie publicerad i december 2024 i tidskriften Physical Review Letters[1][11].
Vetenskaplig betydelse och utmaningar
Denna upptäckt strider mot konventionellt tänkande inom fysiken. Sedan ett sekel har man trott att den endimensionella Ising-modellen – en etablerad matematisk modell för ferromagnetism som producerar ”hälften eld, hälften is”-tillståndet – inte tillåter fasövergångar vid ändlig temperatur[6].
”Trots vår omfattande forskning visste vi fortfarande inte hur detta tillstånd kunde utnyttjas,” säger Tsvelik. ”Vi saknade delar av pusslet.”[6] Men i sin senaste studie har forskarna visat att den ”förbjudna” fasövergången kan uppnås, men endast inom ett mycket smalt temperaturintervall[6].
Detta fynd utmanar befintliga teorier och tvingar fram en omprövning av vår förståelse för magnetism. Det antyder nya sätt att hantera och manipulera dessa atomskaliga magneter och öppnar dörren för att förstå och kontrollera faser och fasövergångar i vissa material[4][7].
Potentiella tillämpningar
Upptäckten av ”hälften is, hälften eld” har flera potentiella tillämpningar inom avancerad teknologi:
Kvantberäkning och informationslagring
Den skarpa fasövergången i detta material vid rimliga temperaturer gör det till en särskilt attraktiv kandidat för kvantinformationslagringsteknologier[10]. Faserna skulle kunna fungera som bitar för lagring av information[10]. ”Att lösa dessa problem kan leda till stora framsteg inom teknologier som kvantberäkning och spintronik,” säger Yin[3][12].
Avancerad kylteknologi
Den entropidrivna växlingen som observerats i materialet skulle kunna driva innovationer inom kylteknologi genom att utnyttja en magnetokalorisk effekt. Denna effekt involverar justering av magnetfält eller temperaturer för att producera kylning, vilket erbjuder ett grönare alternativ till konventionella kompressorer som förlitar sig på kemiska kylmedel[4].
Spintronik
Spintronik, en gren av elektronik som utnyttjar elektronspinn snarare än bara elektrisk laddning, kan gynnas av denna upptäckt. Genom att kontrollera hur spinn ordnas kan enheter bli snabbare och mindre energikrävande än traditionell halvledarbaserad elektronik[4].
Datalagring
Datalagring förlitar sig ofta på hur lätt en magnetisk domän kan växlas. Om ”hälften is, hälften eld” tillåter snabb växling med minimal energi, kan det användas i nästa generations minneselement. Under en normal skrivoperation förbrukar enheter energi för att vända magnetiska bitar. Om ett system kan utlösa en växling genom en liten termisk eller fältjustering, kan det möjliggöra högdensitetsminnen som körs svalare och håller längre[4].
Forskningsmetoder och framtida riktningar
Forskarna upptäckte ”hälften is, hälften eld” medan de studerade en endimensionell modell av en ferrimagnet. De kunde demonstrera med exakta resultat hur detta dolda tillstånd kan driva fasväxling vid önskvärd ändlig temperatur, även för den endimensionella Ising-modellen där fasövergång vid ändlig temperatur traditionellt anses förbjuden[11].
”Nästa steg kommer vi att utforska eld-is-fenomenet i system med kvantspinn och med ytterligare gitter-, laddnings- och orbitalfrihetsgrader,” säger Yin. ”Dörren till nya möjligheter är nu vidöppen.”[10]
Slutsats
Upptäckten av ”hälften is, hälften eld” representerar ett betydande genombrott inom kondenserade materiens fysik och materialvetenskap. Genom att utmana existerande teorier och öppna nya vägar för forskning kan denna exotiska fas av materia potentiellt revolutionera flera teknologiska områden, från kvantberäkning till energieffektiv elektronik.
Forskare hoppas nu gräva djupare i rollen av gitterdistorsioner, elektriska laddningar och orbitala influenser i formandet av detta fenomen. Framtida studier kan avslöja nya vinklar på hur spinn beter sig under konkurrerande krafter, vilket skulle öppna dörrar till friska perspektiv inom magnetisk forskning[4].
Som Tsvelik uttrycker det: ”Vi föreslår att våra fynd kan öppna en ny dörr till förståelse och kontroll av faser och fasövergångar i vissa material.”[3] Denna upptäckt markerar bara början på vad som kan visa sig vara ett helt nytt kapitel inom materialvetenskap och kvantteknologi.
Citations:
[1] https://www.livescience.com/physics-mathematics/new-state-of-matter-dubbed-half-ice-half-fire-could-lead-to-big-advances-in-quantum-computing
[2] https://www.technologynetworks.com/analysis/news/physicists-discover-new-phase-of-matter-in-a-magnetic-material-397678
[3] https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=122362
[4] https://www.earth.com/news/half-ice-half-fire-the-bizarre-new-magnetic-spin-state/
[5] https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1043958/FULLTEXT01.pdf
[6] https://www.newsweek.com/physics-matter-phase-fire-ice-transition-ferromagnet-2051380
[7] https://www.techexplorist.com/half-ice-half-fire-new-phase-of-matter-emerges/98671/
[8] https://www.quantamagazine.org/physicists-aim-to-classify-all-possible-phases-of-matter-20180103/
[9] https://www.iflscience.com/new-phase-of-matter-in-magnets-is-like-half-ice-half-fire-78649
[10] https://www.popularmechanics.com/science/a64311890/fire-ice-new-matter/
[11] https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.266701
[12] https://phys.org/news/2025-03-ice-physicists-phase-magnetic-material.html
[13] https://www.sciencealert.com/new-half-ice-half-fire-phase-of-matter-found-lurking-in-a-magnet
[14] https://www.physics.ox.ac.uk/news/breakthrough-discovery-magnetic-materials-could-unlock-new-quantum-states
[15] https://phys.org/news/2024-12-methods-generate-supercharge-magnetism-2d.html
[16] https://www.phy.cam.ac.uk/news/discovery-new-phase-matter-2d-which-defies-normal-statistical-mechanics
[17] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0921510789901542
[18] https://news.harvard.edu/gazette/story/2024/02/harvard-physicists-create-a-new-phase-of-matter/
[19] https://oxfordqcmt.org/magnets-and-phases/
[20] https://scitechdaily.com/physicists-bend-time-inside-a-diamond-creating-a-brand-new-phase-of-matter/
[21] https://pubs.aip.org/aip/jcp/article/157/12/124704/2841857/Computational-prediction-of-new-magnetic-materials
[22] https://scitechdaily.com/half-ice-half-fire-a-bizarre-new-state-of-matter-that-could-reshape-physics/
Answer from Perplexity: pplx.ai/share
