物理學家解開低溫磁性之謎
- 發佈時間：2015-03-26 01:30:40 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
科技日報北京3月25日電 （記者房琳琳）科研人員在解釋一種稀有磁性材料的罕見屬性上獲得了巨大突破，有可能為掌握一系列新技術打通路徑。從資訊存儲到磁製冷，很多未來最有可能的創新都依賴於先進的磁性材料，而這一新發現或將開啟磁性材料物理性能的方便利用之門。
這一工作由美國布魯克海文國家實驗室物理學家依格納斯·傑瑞和康涅狄格大學教授傑森·漢考克共同領導，與阿貢國家實驗室及日本的研究者合作完成，該成果在尋找滿足下一代多種技術要求的實用材料方面取得重大突破。相關論文發表在本週的《物理評論快報》上。
40多年前日本科學家首次發現“近藤效應”，意指含有極少量磁性雜質的晶態金屬在低溫下出現電阻極小的現象。據物理學家組織網3月25日（北京時間）報道，研究人員此次研究的是一種叫做鐿銦銅合金（YbInCu4）的材料。該合金的磁性被認為會隨著溫度的改變而産生獨特的轉換。在某種特定溫度下，其磁性消失了，而高於這個溫度則磁性大增。這種轉換曾經讓物理學家困惑了數十年，現在終於得以破解。
電子能隙定義了電子在材料內部的運動狀態，它是理解材料電磁性能的重要因素。“在電子光譜中有一種能隙，其能量轉換引發的近藤效應會突然急劇增強。”傑瑞説，“我們的發現表明，量身定做的半導體能隙能用來控制工藝材料中近藤效應和磁性，就像一個精巧方便的旋鈕。”
新研究使用了一種叫做共振彈性X射線散射（RIXS）的新技術。研究團隊將阿貢國家實驗室和美國能源部的同步加速器産生的高強X射線束流聚焦到材料上，通過敏感測量和分析散射情況，能夠發現材料的電子能隙和與之相關的神秘磁性行為。通過研究溫度變化情況下的磁場變化，新技術可以用來開發出許多具有強磁熱效應的新材料，其中有些材料的近藤效應甚至可能在室溫下出現。
如果真的找到室溫下具有近藤效應的材料，製冷技術將發生徹底革命。美國家用空調器佔用了超過110億美元的能源成本，每年釋放1億噸二氧化碳。而利用磁熱效應替代機械風扇和泵進行磁製冷，將會大幅度減少能耗和二氧化碳的排放。
除了對開發新技術具有潛在應用價值，這一成果也大大促進了研究水準。“我們開發的RIXS技術能夠應用在其他基礎能源科學領域。”漢考克表示，這一成果出現得非常及時，或許在搜尋“拓撲近藤絕緣體”材料過程中很有用處，“理論上這種材料已經被預測是存在的，但是在現實中尚未被發現。”
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