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发现钕材料表现出复杂的磁性,这在元素周期表中还从未观察到过

乐鱼体育APP下载 动态 2021-04-04 06:52

现今最强永磁体含有钕和铁元素的混合物。然而,钕本身的行为并不像任何已知的磁铁那样,这让研究人员困惑了半个多世纪。拉德布大学和乌普萨拉大学物理学家现在证明:钕的行为就像是自感自旋玻璃,这意味着它由许多微小旋转磁铁组成的涟漪海洋,以不同的速度循环,并随着时间的推移不断演变。了解这种新类型的磁性行为,可以完善我们对元素周期表上元素的理解。

而且最终可能为人工智能的新材料铺平道路,其研究成果发表在《科学》期刊上。扫描探针显微镜教授亚历山大·哈耶托里安斯说:在一罐蜂蜜中,你可能会认为曾经透明的区域变成了乳黄色,但实际上,这瓶蜂蜜开始结晶了。这就是你如何感知钕的‘老化过程’。与米哈伊尔·卡斯内尔森教授和丹尼尔·韦格纳助理教授一起,发现钕材料表现出一种复杂的磁性,这种方式以前从未在元素周期表上的元素中观察到过。

旋转的磁铁和玻璃

磁铁磁极是由北极和南极来定义的,解剖一块普通的冰箱磁铁,可以发现许多原子磁铁,也就是所谓的自旋,它们沿着同一个方向排列,定义了北极和南极。完全不同的是,一些合金材料以自旋玻璃的形式存在,其中随机分布的自旋指向各种方向。自旋玻璃的名字来源于玻璃中原子的无定形演化结构。通过这种方式,自旋玻璃将磁性行为与液体和凝胶等较软物质中的现象联系起来。

已知自旋玻璃出现在合金中,合金是金属与一种或多种其他元素的组合,具有非晶态结构,但从未出现在元素周期表的纯元素中。令人惊讶的是,Radboud的研究人员发现,一块完美有序稀土元素钕的原子自旋形成了像螺旋一样旋转的图案,但不断地改变着螺旋的确切图案,这是一种被称为自感自旋玻璃的新物质状态表现。

看到磁性结构

韦格纳解释说:我们是扫描隧道显微镜(STM)方面的专家,扫描隧道显微镜使我们能够看到单个原子的结构,可以分辨出原子磁场的北极和南极,有了这种高精度成像的进步,能够发现钕的行为,因为我们可以解决磁结构中令人难以置信的微小变化,而且这不是一件容易的事情。

一种行为像神经元的材料

这一发现开启了一种可能性,即这种复杂的玻璃状磁性行为也可以在新材料中观察到,包括元素周期表上的其他元素。哈耶托里安斯揭示说:这将提炼教科书上有关物质基本性质的知识,但它也将为开发新的理论提供一个试验场,在这些理论中,可以将物理学与其他领域联系起来,例如理论神经科学。钕的复杂演化可能是一个模仿人工智能中使用基本行为的平台。

所有可以存储在这种材料中的复杂模式都可以与图像识别联系起来。随着人工智能进步及其巨大的能量足迹,人们对创造能够直接在硬件中执行类似大脑任务的材料需求也越来越大,也许永远不可能用简单磁铁建造一台大脑启发的计算机,但具有这种复杂行为的材料可能是很合适的候选材料。

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