ASC科研发现科学家发现电子晶体中的神秘 [复制链接]

当温度变化时，许多材料会发生相变，例如液态水到冰，或金属到超导体。有时，所谓的磁滞回线会伴随这样的相变，因此转变温度会根据材料是冷却还是升温而有所不同。

在物理评论快报的一篇新论文中，由麻省理工学院物理学教授NuhGedik领导的一个全球研究小组发现了一种名为EuTe4的层状化合物中的一种不寻常的滞后转变，其中滞后覆盖了超过开尔文的巨大温度范围。这种大的热跨度不仅打破了结晶固体中的记录，但也承诺在具有分层结构的材料中引入一种新型过渡。这些发现将为极端温度范围内固体滞后行为的基础研究创建一个新平台。此外，存在于巨大磁滞回线内的许多亚稳态为科学家提供了充分控制材料电气特性的机会，这可以在下一代电气开关或非易失性存储器（一种保留数据的计算机存储器）中找到应用断电时。

研究人员包括博士后吕白清和研究生AlfredZong博士。来自Gedik实验室，以及来自全球14家机构的26人。本文进行的实验工作利用了美国和中国最先进的同步加速器设施，在千米长的圆形轨道上快速移动的带电粒子产生了明亮的光源，强光专注于EuTe4以揭示其内部结构。Gedik和他的团队还与包括来自德国和俄罗斯的BorisFine教授和AVRozhkov教授在内的理论家团队合作，他们都帮助将实验观察中的许多难题整合到一致的画面中。

滞后和热记忆

滞后现象是一种现象，其中材料对扰动（例如温度变化）的响应取决于材料的历史。滞后表明系统被困在能源景观中的某个局部而非全局最小值中。在以长程有序为特征的结晶固体中，即在整个晶体上存在原子排列的周期性模式的情况下，滞后通常发生在相当窄的温度范围内，在大多数情况下从几开尔文到几十开尔文。

“在EuTe4中，我们发现滞后的温度范围非常宽，超过开尔文，”Lyu说。“实际数字可能要大得多，因为这个值受到当前实验技术能力的限制。这一发现立即引起了我们的注意，我们对EuTe4的实验和理论表征相结合，挑战了关于可以出现在晶体中。”

滞后行为的一种表现形式是材料的电阻。通过冷却或加热EuTe4晶体，研究人员能够将它们的电阻率改变几个数量级。

“在给定温度下，例如在室温下，电阻率的值取决于晶体过去是更冷还是更热，”Zong解释说。“这一观察向我们表明，材料的电学特性以某种方式对其热历史有记忆，并且在微观上，材料的特性可以保留过去不同温度的特性。这种‘热记忆’可以用作永久温度记录仪。例如，通过测量EuTe4在室温下的电阻，我们可以立即知道材料过去经历的最冷或最热温度是多少。

发现的怪事

研究人员还发现了滞后现象中的几个奇怪之处。例如，与晶体中的其他相变不同，他们没有观察到在大温度范围内电子或晶格结构的任何改变。“没有微观变化对我们来说看起来真的很奇怪，”Lyu补充道，“更神秘的是，与其他敏感地依赖于冷却或升温速率的滞后转变不同，EuTe4的滞后回线似乎不受这个因素的影响。”

研究人员的一条线索是电子在EuTe4中的排列方式。“在室温下，EuTe4晶体中的电子自发凝聚成低密度和高密度区域，在原始周期晶格之上形成二次电子晶体，”Zong解释说。“我们认为与巨型磁滞回线相关的奇怪现象可能与这种次级电子晶体有关，这种化合物的不同层在建立长程周期性的同时表现出无序运动。”

“EuTe4的分层性质对于解释滞后现象至关重要，”Lyu说，“不同层中的次级晶体之间的弱相互作用使它们能够相对移动，从而在滞后回线中产生许多亚稳态配置。"

下一步是设计方法，除了改变温度，在EuTe4中诱导这些亚稳态。这将使科学家能够以技术上有用的方式操纵其电气特性。

“我们可以产生短于百万分之一秒的强激光脉冲，”Gedik说。“下一个目标是在单次闪光后诱使EuTe4进入不同的电阻状态，使其成为可用于例如计算设备的超快电子开关。”

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