Analyse af 3-D neutronpolarisering under højt tryk

Et fælles forskerhold bestående af NIMS, JAEA og Institut Laue Langevin har udviklet en højtrykscelle sammensat af helt umagnetiske materialer. Holdet lykkedes så for første gang med at analysere neutronpolarisering i tre dimensioner ved et ekstremt højt tryk på adskillige gigapascal ved hjælp af cellen. Denne teknik er anvendelig til detaljeret analyse af elektronspin-arrangementer. Holdet opdagede også et materiale med potentiale som næste generations pc-hukommelsesmateriale på grund af de multiferroiske egenskaber, det udviste under højt tryk. Teknikken kan bruges til at forstå trykinducerede ændringer i elektronspin-arrangementer i forskellige materialer og til at udvikle nye materialer ved at kontrollere spins.

Elektronspind bestemmer grundlæggende materialernes magnetiske egenskaber. Nyere forskning med fokus på at kontrollere elektronspin har ført til udviklingen af ​​nye funktionelle materialer, herunder multiferroiske materialer. Brugen af ​​neutrondiffraktionsteknikker, som muliggør observation af spin-arrangementer i materialer, er uundværlig i disse materielle udviklingsbestræbelser. Tredimensionel neutronpolarisationsanalyse er særlig effektiv til at bestemme præcise spinarrangementer, mens tredimensionelle neutronspin-orienteringer kontrolleres. Imidlertid, brug af denne teknik kræver en celle, hvori et prøvemateriale kan holdes i en fuldstændig umagnetisk tilstand for at bevare graden af ​​neutronspinpolarisering, der er specifik for prøven. Konventionelle højtryksceller er uegnede til brug i denne analyse, fordi de er sammensat af magnetiske materialer, der genererer magnetisk flux.

I denne forskning, det NIMS-ledede team udviklede en fuldstændig umagnetisk højtrykscelle ved at erstatte konventionelle magnetiske cellematerialer med ikke-magnetiske kompositmaterialer lavet af diamantpartikler. Holdet bekræftede derefter, at brugen af ​​den nyudviklede celle ikke reducerer graden af ​​neutronspinpolarisering i et prøvemateriale. Holdet opdagede også et materiale, der er ikke-ferroelektrisk ved normalt atmosfærisk tryk i et ikke-magnetisk miljø, men som bliver ferroelektrisk og multiferroisk, når det udsættes for flere titusindvis af atmosfærers tryk.

Teknikken, der er udviklet i denne forskning, kan anvendes til udvikling af ikke kun multiferroiske materialer, men også af superledende og andre funktionelle materialer, hvis funktionaliteter er tæt forbundet med spin-arrangementer.