「加熱すると凍る」という不思議な現象に科学者が仰天

冷凍庫で水を冷やして作った氷は、温めると解けて水になります。ところが、強力な磁石の原料などに用いられているネオジムには、身の回りにある一般的な物質とは異なり「加熱すると凍り、冷やすと元通りになる」という逆の現象を引き起こす性質があることが判明しました。

Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium | Nature Physics
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01633-9

Magnetic spins that ‘freeze’ when heated: nature in the wrong direction | Radboud University
https://www.ru.nl/en/research/research-news/magnetic-spins-that-freeze-when-heated-nature-in-the-wrong-direction

Physicists Are Startled by This Magnetic Material That 'Freezes' When Heated
https://www.sciencealert.com/this-magnetic-material-freezes-when-heated-in-a-reversal-of-our-expectations

今回、ネオジムにわずかな熱を与えると凍結するという現象を発見したのは、オランダ・ラドバウド大学の物理学者であるアレキサンダー・カジェトリアン氏らの研究チームです。この発見についてカジェトリアン氏は「今回観測されたネオジムの磁気的な挙動は、通常とは逆のものでした。これは、例えば水を熱すると氷になるような、極めて直感に反する現象です」と話しました。

by theaucitron

一般的に、鉄のような強磁性体では原子のスピンが同じ方向に整列しており、原子そのものがN極とS極を持つ磁石となって同じ方向を向いていることで磁力を発揮します。一方、鉄に銅をまぜて合金を作ると、原子のスピンの方向が不規則な「スピングラス」となります。

スピングラスとは、原子のスピンが不規則な方向で固まっている様子が、固体なのに結晶にはならずバラバラな構造を持っているガラスに似ていることから名付けられたものです。

一方、非常に強力な磁石であるネオジム磁石は鉄にネオジムとホウ素を加えて作られていますが、ネオジムだけでは磁石にくっつきません。単体のネオジムは固体なので結晶状の構造を持ちますが、ガラスのような挙動を示すのでネオジムは自己誘導スピングラスと呼ばれています。

このネオジムの研究をしていたカジェトリアン氏らは、ネオジムをマイナス268度からマイナス265度へとわずかに加熱しました。すると、ネオジム原子のスピンが固まって磁石のようなパターンを形成しました。逆に、ネオジムが冷えるとランダムなパターンに戻ってしまいました。

この現象を図にしたのが以下。加熱前のネオジム原子(左)のスピンは渦を巻くようなパターンを形成しますが、加熱したネオジム(右)は凍結し一種の磁石のようなパターンを形成しました。

ネオジムが通常の物質とは逆の挙動をする理由は不明ですが、研究チームは「フラストレーション」と呼ばれる現象が関係しているのではないかと考えています。フラストレーションとは、磁性体が秩序状態になることができず、スピングラスのような無秩序な状態になることを指します。研究チームによると、ネオジムの温度が上がると構造を無秩序にしようとするフラストレーションの力が弱まるため、スピンが整列した状態に落ち着くことができるようになると考えられるとのこと。

研究者らは、「エネルギーが加わると無秩序から秩序が生まれる」という不思議な現象のメカニズムを解き明かすことで、新しいタイプのコンピューターや情報ストレージ技術が実現するのではないかと期待を寄せています。