翻轉粒子間交互作用，科學家創造反自旋冰
一群科學家將自旋冰粒子作用由排斥轉為吸引，創造出「反自旋冰」，並在五七邊形晶格首見全新阻挫形態。
自旋冰（Spin ice）是物理學家模仿冰規則、在人造系統重現「幾何阻挫（Geometric Frustration）」現象的特殊磁性系統，其內部原子磁矩呈幾何受挫狀態，導致它不存在唯一的能量最低態，展現類似水冰的非零余熵（溫度為絕對零度時，整個系統熵值不為零）。
在水冰晶格中，每個氧原子周圍必須有 2 個氫原子靠近、2 個遠離，但因太多排列方式都能滿足這條規則，導致氫原子永遠處於「無序」狀態，這就是阻挫──當系統中的競爭性相互作用無法全部滿足，會產生許多等價妥協方案。
為了更直觀研究自旋冰動力學與拓撲性質，物理學家過去已利用膠體粒子模擬自旋冰系統（稱為膠體冰）並在系統重現幾何阻挫行為，而近日巴塞隆納大學團隊「翻轉」冰規則，將粒子間相互作用從排斥變成吸引，創造出反自旋冰（Anti-Spin Ice），還首次在五七邊形晶格觀察到全新阻挫形態。
傳統膠體冰使用相互排斥的粒子，每個粒子在晶格頂點會貢獻一個電荷，比如正方形晶格每個頂點有 4 個溝槽，而由於粒子互相排斥，系統會盡力讓每個頂點電荷盡可能平衡。
但當粒子變成相互吸引，它們不再分散，而是擠向某些頂點、遠離其他頂點，導致正方形晶格頂點 4 個粒子全部靠近（電荷 +4）或 4 個粒子全部遠離（電荷 -4），這些原本被冰規則嚴格禁止的極端電荷成為系統追求目標，系統不再無序，而是形成一種「交錯排列」的有序狀態。
團隊接著把這套「吸引」機制套用到五七邊形晶格，發現情況變得更有趣。由於五七邊形晶格具奇數邊環，系統無法讓所有高電荷頂點完美交錯排列，總會有 2 個相鄰頂點帶有相同符號的電荷，系統無法達到完美有序狀態，始終保留約四分之一的低電荷頂點，與傳統自旋冰形成美妙對比。
磁場即開關
研究最激動人心之處在於可調控性。研究人員指出，如果在旋轉磁場加入一個垂直分量讓磁場掃出圓錐形狀，接著改變這個圓錐角度（約 54.7 度），粒子就會在「吸引」與「排斥」之間切換。
這說明粒子間交互作用（吸引或排斥）可由磁場控制，科學家只要調整磁場角度就能「命令」同一系統扮演傳統膠體冰或反自旋冰，等於實現對物質阻挫現象的程式化控制，堪稱材料科學終極夢想之一，可能拓展至奈米磁體、超導體等其他尖端平台。
新論文發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊。
（首圖僅為示意圖，來源：AI 生成）