Forståelse af magnetismeændringer forårsaget af krystalgitterudvidelse

Mønsteret for arrangement af atomer i en krystal, kaldet krystalgitteret, kan have en enorm effekt på egenskaberne af faste materialer. Kontrol og udnyttelse af disse egenskaber er en udfordring, der lover belønninger i applikationer som nye sensorer og nye solid-state-enheder. Et internationalt forskningssamarbejde, herunder forskere fra Osaka University, har rapporteret induktion af en interessant type magnetisk orden, kaldet helimagnetisme, i et koboltoxidmateriale ved at udvide dets gitterstruktur. Deres resultater blev offentliggjort i Physical Review Materials.

Magnetisk adfærd skyldes rækkefølgen af ​​de magnetiske øjeblikke for de mange individuelle atomer i et materiale. I helimagnetisme, i stedet for at de magnetiske øjeblikke er justeret - som de er i permanente magneter, producerer ferromagnetisme - momenterne arrangerer sig selv i et spiralformet mønster. Denne adfærd observeres generelt kun i komplicerede gitterstrukturer, hvor forskellige typer magnetiske interaktioner konkurrerer med hinanden, derfor rapporten om induceret helimagnetisme i en simpel kubisk koboltoxidstruktur, er yderst betydningsfuld.

"Vi har vist spirende spirende rækkefølge i et kubisk materiale af perovskit-type, som vi opnåede blot ved at udvide gitterstørrelsen, "Undersøg første forfatter Hideaki Sakai." Vi var i stand til at kontrollere størrelsen af ​​gitterudvidelsen ved hjælp af en højtryks-teknik til at dyrke en række enkeltkrystaller med bestemte kemiske sammensætninger. Ændring af mængden af ​​forskellige ioner i vores materialer gav os tilstrækkelig kontrol til at undersøge de magnetiske egenskaber."

Systematisk udskiftning af strontiumioner i strukturen med større bariumioner bevirkede, at gitteret løbende ekspanderede, indtil den normale ferromagnetiske magnetiske orden, der var til stede ved stuetemperatur, blev forstyrret, resulterer i helimagnetisme. Disse eksperimentelle fund blev succesfuldt understøttet af beregninger.

"Det faktum, at vi stort set var i stand til at gengive vores fund ved at beregne de første principper, bekræfter, at de magnetiske interaktioner i materialerne er meget følsomme over for gitterkonstanten, "Sakai siger." Jo mere vi kan forstå om krystallinske materialers magnetiske adfærd, jo tættere vi kommer på at omsætte deres egenskaber til nyttige funktioner. Vi håber, at vores fund vil bane vejen for nye sensorapplikationer. "

Kontrol af magnetisk orden ved blot at ændre gitterkemien, som påvist af denne undersøgelse, danner grundlag for at undersøge egenskaberne af mange andre krystallinske materialer.