Only Perception: 材料科學中最重要的問題之一獲得解決

2009-03-08

材料科學中最重要的問題之一獲得解決

One of the most important problems in materials science solved
http://www.physorg.com/news154608671.html

February 23rd, 2009

（瑞典） Uppsala 大學的 Peter Oppeneer 教授與三位同僚一同合作，闡明了材料科學中迄今未解的謎，稱為「the hidden order（隱藏的秩序）」-- 新的相（phase）如何出現，以及為何出現。這項發現對於我們理解新材料特性如何發生、它們在未來如何受到控制與利用，重要性非凡。這些發現目前已發表在 Nature Materials 科學期刊上，同時對於未來能源供給有著很大的重要性。

長久以來，研究者試圖發展未來的超導材料，那能傳導能量而不會喪失，對於未來能源的供給有著一定程度的重要性。不過這個難題中的一塊拼圖卻失蹤了。這裡有數種材料，當溫度低於某一轉變溫度（transitional temperature）時，那在所有熱力學的特性中表現出明確的相變（phase transition），但沒有人能夠解釋在此材料中新的集體秩序（collective order）。到目前為止，這狀況仍被稱為隱藏的秩序。

"隱藏的秩序在 24 年前被發現，而這些年來科學家都試著要發現某種解釋，不過到目前為止都沒有成功。這使得此問題成為材料科學中最熱門的探求之一。而現在，我們能夠以一種前所未見的方法，解釋這種在材料中隱藏的秩序如何發生，我們在有生之年解決了這個科學領域中最重要的問題之一，" Professor Peter Oppeneer 說。

來自於 Uppsala 大學的四位物理學家，由 Peter Oppeneer 所領導，在與來自於（德國） Cologne 大學的 John Mydosh 合作下（他在 24 年前發現這種隱藏的秩序），透過大規模計算證明這種隱藏的秩序如何發生。極微小的磁性波動迅速地在這種材料的宏觀特性中改變，故，一種全新的、具有不同特性的相出現。

"我們先前未曾見過這種所謂的「磁性自旋激振（magnetic spin excitations）」產生某種相變以及造成某種新的相形成。在一般材料中，這樣的激振無法改變相以及材料的特性，因為那太微弱了。但現在，我們證明這事實上是可能的，" Peter Oppeneer 說。

解釋隱藏的秩序中所有物理現象細節的是一種基於電腦的理論。在其他應用中，那能用來更好地理解高溫超導材料，也因此對新超導材料以及我們未來能源的供給的發展將很重要。

※ 相關報導：

＊ Hidden order in URu2Si2 originates from Fermi surface gapping induced by dynamic symmetry breaking
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat2395.html
http://dx.doi.org/10.1038/nmat2395

S. Elgazzar, J. Rusz, M. Amft, P. M. Oppeneer & J. A. Mydosh
Nature Materials
Published online: 22 February 2009
Corrected online: 26 February 2009
doi: 10.1038/nmat2395

Spontaneous, collective ordering of electronic degrees of freedom leads to second-order phase transitions that are characterized by an order parameter（有序參數）driving the transition. The notion of a 'hidden order' has recently been used for a variety of materials where a clear phase transition occurs without a known order parameter. The prototype example is the heavy-fermion（重費米子）compound URu2Si2, where a mysterious hidden-order transition occurs at 17.5 K. For more than twenty years this system has been studied theoretically and experimentally without a firm grasp of the underlying physics. Here, we provide a microscopic explanation of the hidden order using density-functional theory（密度泛函理論） calculations. We identify the Fermi surface 'hot spots' where degeneracy induces a Fermi surface instability and quantify how symmetry breaking lifts the degeneracy, causing a surprisingly large Fermi surface gapping. As the mechanism for the hidden order, we deduce spontaneous symmetry breaking through a dynamic mode of antiferromagnetic moment excitations（反鐵磁力矩激振）.