当温度发生变化时，许多材料会发生相变，例如液态水变成冰，或者金属变成超导体。有时，一个所谓的滞后环伴随着这样的相变，根据材料的冷却或升温，过渡温度是不同的。在《物理评论快报》的一篇新论文中，由麻省理工学院物理学教授Nuh Gedik领导的一个全球研究小组在一种名为EuTe4的层状化合物中发现了一种不寻常的滞后转变，其中的滞后涵盖了一个超过400开尔文的巨大温度范围。
这一巨大的热跨度不仅打破了晶体固体中的记录，而且有望在拥有层状结构的材料中引入一种新的过渡类型。这些发现将为固体在极端温度范围内的滞后行为的基础研究创造一个新平台。此外，在巨大的磁滞环内驻留的许多易变态为科学家们提供了大量的机会，可以精确地控制材料的电气特性，这可以在下一代电气开关或非易失性存储器中找到用武之地，非易失性存储器是一种计算机存储器，在关闭电源时可以保留数据。
研究人员包括来自Gedik实验室的博士后Baiqing Lyu和研究生Alfred Zong博士，以及来自全球14个机构的其他26人。本文进行的实验工作利用了美国和中国最先进的同步辐射设施，在那里，快速移动的带电粒子在一公里长的圆形轨道上产生了明亮的光源，强光被聚焦到EuTe4上，以揭开其内部结构。格迪克和他的小组还与包括来自德国和俄罗斯的鲍里斯-费恩教授和A.V.罗日科夫在内的理论家团队合作，他们都帮助将实验观察中的许多难题整合成一个一致的画面。
漫画说明了这种滞后现象--当一个物理特性的值滞后于引起它的效应的变化时，类似于在徒步旅行期间，上坡和下坡的路径不同。
滞后是一种现象，材料对扰动的反应，如温度变化，取决于材料的历史。滞后表明系统被困在能量景观中的某个局部但不是整体的最小值。在以长程秩序为特征的晶体固体中，也就是说，在整个晶体上有一个原子排列的周期性模式，滞后通常发生在一个相当窄的温度范围内，在大多数情况下是从几到几十开尔文。
"在EuTe4中，我们反而发现滞后的温度范围极宽，超过400开尔文，"Lyu说。"实际的数字可能要大得多，因为这个数值受限于目前实验技术的能力。这一发现立即引起了我们的注意，我们对EuTe4的综合实验和理论表征挑战了关于晶体中可能发生的滞后转变类型的传统智慧。"
滞后行为的一个表现是在材料的电阻方面。通过冷却或加热EuTe4的晶体，研究人员能够以数量级的方式改变其电阻率。
在一个给定的温度下，例如在室温下，电阻率的值取决于晶体是更冷还是更热。这一观察结果向表明，材料的电性能在某种程度上对其热历史有记忆，从微观上看，材料的性能可以保留过去不同温度下的特征。这种"热记忆"可以作为一个永久性的温度记录器。例如，通过测量EuTe4在室温下的电阻，我们立即知道该材料在过去经历的最冷或最热的温度是多少。
研究人员还发现了磁滞现象中的几个怪异之处。例如，与晶体中的其他相变不同，他们在大的温度范围内没有观察到电子或晶格结构的任何改变。与其他敏感地取决于冷却或升温速度的滞后转变不同，EuTe4的滞后环似乎不受这种因素的影响。
研究人员的一条线索是EuTe4中电子的排列方式。"在室温下，EuTe4晶体中的电子自发地凝结成具有低密度和高密度的区域，在原来的周期性晶格之上形成一个二级电子晶体，"Zong解释说。"我们相信，与巨大磁滞环相关的怪异现象可能与这种次级电子晶体有关，这种化合物的不同层在建立长程周期性的同时表现出无序运动。"
"EuTe4的分层性质在对磁滞的这种解释中是至关重要的，"Lyu说。"不同层的次级晶体之间的弱相互作用使它们能够相对移动，因此在磁滞环中产生了许多可变构型。"
下一步是设计出除改变温度以外的方法，在EuTe4中诱发这些可转移状态。这将使科学家们能够以技术上有用的方式操纵其电气特性。
"我们可以产生短于百万分之一秒的强烈激光脉冲，"Gedik说。"下一个目标是在照射一次闪光后将EuTe4骗到一个不同的电阻状态，使其成为一个超快的电气开关，例如可用于计算设备。"