當溫度發生變化時，許多材料會發生相變，例如液態水變成冰，或者金屬變成超導體。有時，一個所謂的滯后環伴隨着這樣的相變，根據材料的冷卻或升溫，過渡溫度是不同的。在《物理評論快報》的一篇新論文中，由麻省理工學院物理學教授Nuh
Gedik領導的一個全球研究小組在一種名為EuTe4的層狀化合物中發現了一種不尋常的滯後轉變，其中的滯后涵蓋了一個超過400開爾文的巨大溫度範圍。
這一巨大的熱跨度不僅打破了晶體固體中的記錄，而且有望在擁有層狀結構的材料中引入一種新的過渡類型。這些發現將為固體在極端溫度範圍內的滯後行為的基礎研究創造一個新平台。此外，在巨大的磁滯環內駐留的許多易變態為科學家們提供了大量的機會，可以精確地控制材料的電氣特性，這可以在下一代電氣開關或非易失性存儲器中找到用武之地，非易失性存儲器是一種計算機存儲器，在關閉電源時可以保留數據。
研究人員包括來自Gedik實驗室的博士后Baiqing Lyu和研究生Alfred Zong博士，以及來自全球14個機構的其他26人。本文進行的實驗工作利用了美國和中國最先進的同步輻射設施，在那裡，快速移動的帶電粒子在一公里長的圓形軌道上產生了明亮的光源，強光被聚焦到EuTe4上，以揭開其內部結構。格迪克和他的小組還與包括來自德國和俄羅斯的鮑里斯-費恩教授和A.V.羅日科夫在內的理論家團隊合作，他們都幫助將實驗觀察中的許多難題整合成一個一致的畫面。
漫畫說明了這種滯后現象–當一個物理特性的值滯後於引起它的效應的變化時，類似於在徒步旅行期間，上坡和下坡的路徑不同。
滯后是一種現象，材料對擾動的反應，如溫度變化，取決於材料的歷史。滯后表明系統被困在能量景觀中的某個局部但不是整體的最小值。在以長程秩序為特徵的晶體固體中，也就是說，在整個晶體上有一個原子排列的周期性模式，滯后通常發生在一個相當窄的溫度範圍內，在大多數情況下是從幾到幾十開爾文。
“在EuTe4中，我們反而發現滯后的溫度範圍極寬，超過400開爾文，”Lyu說。”實際的數字可能要大得多，因為這個數值受限於目前實驗技術的能力。這一發現立即引起了我們的注意，我們對EuTe4的綜合實驗和理論表徵挑戰了關於晶體中可能發生的滯後轉變類型的傳統智慧。”
滯後行為的一個表現是在材料的電阻方面。通過冷卻或加熱EuTe4的晶體，研究人員能夠以數量級的方式改變其電阻率。
在一個給定的溫度下，例如在室溫下，電阻率的值取決於晶體是更冷還是更熱。這一觀察結果向表明，材料的電性能在某種程度上對其熱歷史有記憶，從微觀上看，材料的性能可以保留過去不同溫度下的特徵。這種”熱記憶”可以作為一個永久性的溫度記錄器。例如，通過測量EuTe4在室溫下的電阻，我們立即知道該材料在過去經歷的最冷或最熱的溫度是多少。
研究人員還發現了磁滯現象中的幾個怪異之處。例如，與晶體中的其他相變不同，他們在大的溫度範圍內沒有觀察到電子或晶格結構的任何改變。與其他敏感地取決於冷卻或升溫速度的滯後轉變不同，EuTe4的滯后環似乎不受這種因素的影響。
研究人員的一條線索是EuTe4中電子的排列方式。”在室溫下，EuTe4晶體中的電子自發地凝結成具有低密度和高密度的區域，在原來的周期性晶格之上形成一個二級電子晶體，”Zong解釋說。”我們相信，與巨大磁滯環相關的怪異現象可能與這種次級電子晶體有關，這種化合物的不同層在建立長程周期性的同時表現出無序運動。”
“EuTe4的分層性質在對磁滯的這種解釋中是至關重要的，”Lyu說。”不同層的次級晶體之間的弱相互作用使它們能夠相對移動，因此在磁滯環中產生了許多可變構型。”
下一步是設計出除改變溫度以外的方法，在EuTe4中誘發這些可轉移狀態。這將使科學家們能夠以技術上有用的方式操縱其電氣特性。
“我們可以產生短於百萬分之一秒的強烈激光脈衝，”Gedik說。”下一個目標是在照射一次閃光后將EuTe4騙到一個不同的電阻狀態，使其成為一個超快的電氣開關，例如可用於計算設備。”