Bí ẩn vật liệu "đóng băng" khi bị nung nóng

[miro1510]

Khi đun nóng nguyên tố từ tính neodymium đến nhiệt độ thích hợp, một hiện tượng thú vị sẽ xảy ra, khiến mọi logic bị đảo lộn.

Một đồ chơi nam châm bằng neodymium (Ảnh: Wikipedia).

Trước đây, nếu chúng ta làm lạnh các vật liệu từ tính đến nhiệt độ thích hợp, các vòng quay của nguyên tử sẽ bị 'đóng băng' và khóa chặt vị trí vào một mô hình tĩnh.

Tuy nhiên giờ đây, các nhà vật lý đã vô tình phát hiện ra điều ngược lại khi họ đốt nóng một phần nguyên tố từ tính tự nhiên neodymium.

"Hành vi của các từ tính trong neodymium mà chúng tôi quan sát được thực sự trái ngược với những điều mà bình thường sẽ xảy ra", Alexander Khajetoorians - nhà vật lý tại Đại học Radboud (Hà Lan) cho biết. "Điều này khá phi thực tế, giống như nước lỏng trở thành một khối đá rắn khi nó nóng lên".

Điều này xảy ra trong một số vật liệu chẳng hạn như hợp kim của đồng và sắt, nơi các vòng quay của nguyên tử bố trí khá ngẫu nhiên. Trạng thái này được gọi là thủy tinh quay (spin glass).

Để thử nghiệm điều này, nhà vật lý Benjamin Verlhac ở Đại học Radboud cùng một nhóm các nhà khoa học đã tăng nhiệt độ của neodymium từ -268 độ C lên -265 độ C. Kết quả là trạng thái đóng băng thực sự đã xảy ra, với hình thức giống như khi ta làm lạnh một hệ thủy tinh quay khác.

Đáng chú ý, khi các nhà khoa học thử làm nguội neodymium trở lại, các vòng quay nguyên tử một lần nữa rơi vào tình trạng hỗn loạn.

Hiện tượng kỳ lạ xảy ra khi đốt nóng vật liệu neodymium, với hình thức giống như khi "đóng băng" các vật liệu từ tính khác.

Hiện vẫn chưa rõ lý do tại sao điều này lại xảy ra, vì rất hiếm khi một vật liệu tự nhiên hoạt động theo một cách trái ngược hoàn toàn với tất cả các vật liệu khác cùng loại.

Các nhà khoa học tin rằng nó có thể liên quan đến một hiện tượng vật lý, được gọi với thuật ngữ "Geometrical frustration" (tạm dịch: "Thất vọng hình học") - dùng để chỉ các nguyên tử có xu hướng dính vào những vị trí bất thường. Nó thường xảy ra khi vật liệu không thể đạt được mô hình trật tự, dẫn đến trạng thái cơ bản bị rối loạn.

Các nhà nghiên cứu cũng phỏng đoán, có thể neodymium có những mối tương quan nhất định trong các trạng thái của nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Theo đó, việc tăng hay giảm nhiệt độ sẽ làm suy yếu liên kết, gây ra hiện tượng rối loạn nêu trên.

Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng điều này mang đến ý nghĩa vượt xa góc độ vật lý học, khi có thể giúp nhân loại tìm ra những trật tự mới đằng sau mỗi vật chất. "Nếu chúng ta có thể mô hình hóa cách thức mà các vật liệu này hoạt động, thì có thể sẽ tìm ra ngoại suy cho hành vi của nhiều loại vật liệu khác", nhà vật lý Alexander Khajetoorians lý giải.