Kuitenkin kemistit ovat löytäneet yllättävän käyttäytymisen: tietyissä materiaaleissa atomit voivat jähmettyä, vaikka lämpötila nousee! Ilmiö, joka vaikuttaa olevan ristiriidassa klassisen fysiikan lakien kanssa. Kuitenkin tämä löytö on todellinen, ja se voisi avata tien materiaaleille, jotka pystyvät säilyttämään erityisiä ominaisuuksia — kuten magnetoituminen tai sähkön tuottaminen paineen alla — jopa huoneenlämmössä.
Yleisesti ottaen, mitä kuumempi materiaali on, sitä enemmän sen atomit tai molekyylit liikkuvat joka suuntaan. Tämä liike aiheuttaa häiriöitä ja siten entropian lisääntymistä. Toisaalta, kun materiaalia jäähdytetään, sen atomit voivat stabiloitua tarkasti määritellyssä asennossa: silloin sanotaan, että ne ovat "jähmettyneet".
Juuri näissä hyvin järjestäytyneissä tiloissa, jotka saavutetaan matalassa lämpötilassa, ilmenee joitakin mielenkiintoisia ominaisuuksia, kuten ferroelektrisyys (kyky tuottaa sähköjännite paineen alla) tai magnetoituminen. Ongelma on, että nämä vaikutukset toimivat yleensä vain kylmässä, mikä rajoittaa niiden käyttöä.
Kuitenkin Rennesin ja Bordeaux'n tutkijat ovat juuri osoittaneet, että tietyissä erityisissä materiaaleissa atomit voivat jähmettyä, kun lämpötilaa nostetaan! Tämä havainto vaikuttaa olevan vastoin termodynamiikan lakeja, jotka edellyttävät häiriöiden lisääntymistä lämpötilan noustessa, mutta tieteilijät ovat onnistuneet selittämään sen.
Materiaali, jota he tutkivat, esittää kaksi stabiilia magneettista tilaa lämpötilan mukaan. Matala lämpötila saa elektronit muodostamaan pareja, ja magneettinen tila on järjestäytynyt. Huoneenlämpöön lämmittäminen johtaa epäjärjestäytyneeseen magneettiseen tilaan, jossa elektronit eivät enää ole pareittain.
Kuumennus edistää siis elektronista häiriötä (tai magneettista entropiaa), joka kilpailee atomien sijaintiin liittyvän entropian kanssa. Tutkimus osoittaa, että järjestelmän kokonaisentropia todella kasvaa lämpötilan myötä, kuten termodynamiikan lait edellyttävät, ja että magneettinen entropia dominoi, mikä mahdollistaa atomien säilyttää "jähmettyneen" aseman korkeassa lämpötilassa, jonka ne ottavat matalassa lämpötilassa.
Nämä tulokset, jotka on julkaistu Materials Horizons -lehdessä, osoittavat, että elektronisen häiriön ja atomisen järjestyksen yhdistäminen voisi johtaa uusiin materiaaleihin antureita, muisteja tai muita laitteita varten.
Viite:
Francisco Javier Valverde-Muñoz, Ricardo Guillermo Torres Ramírez, Elzbieta Trzop, Thierry Bataille, Nathalie Daro, Dominique Denux, Philippe Guionneau, Hervé Cailleau, Guillaume Chastanet, Boris Le Guennic & Eric Collet.
Stabilizing low symmetry-based functions of materials at room temperature through isosymmetric electronic bistability
Materials Horizons 2025
https://doi.org/10.1039/D4MH01318B