Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Kondo metamagnet er først i en familie af excentriske kvantekrystaller

En illustration af den trinvise metamagnetiske overgang af et nyt kvantemateriale opdaget i risfysiker Emilia Morosans laboratorium. Kredit:Macy Stavinoha/Rice University

Der er en oddball i de fleste familier, men fysikeren på Rice University Emilia Morosan har opdaget en hel klan af excentriske forbindelser, der kunne hjælpe med at forklare de mystiske elektroniske og magnetiske virkninger af andre kvantematerialer ingeniører søger efter næste generations computere og elektronik.

Morosan og 30 medforfattere beskriver det første familiemedlem - et "semimetallisk Kondo-gitter" lavet af ytterbium, rhodium og silicium i forholdet 1 til 3 til 7 - i en undersøgelse i denne uge i tidsskriftet American Physical Society Fysisk gennemgang X ( PRX ). Papiret beskriver to egenskaber ved YbRh 3 Si 7 -"metamagnetisme" og "lavbærende Kondo" -effekter-der sjældent tidligere er blevet målt i det samme materiale.

Morosan, hvis laboratorium er specialiseret i design, opdagelse og syntese af kvantematerialer, skabte den nye familie af 1-3-7'ere med støtte fra Gordon og Betty Moore Foundations Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative (EPiQS). Hun sagde, at få 1-3-7'er var blevet beskrevet i den videnskabelige litteratur forud for hendes Moore-finansierede forskning. Af de flere forbindelser i familien 1-3-7 opdaget af hendes gruppe, fire er magnetiske, tre er ytterbium-baserede og "hver er mere overraskende end den sidste, " hun sagde.

"Først, dette giver os en mulighed for at forstå alt dette, på egen hånd, og derefter at forstå dem i forhold til hinanden, sagde Morosan, der blev udnævnt til Moore Foundation EPiQS Materials Synthesis Investigator i 2014. "F.eks. de strukturelle og kemiske forskelle mellem disse er meget små. Gitterparametrene er næsten identiske. Man ville forvente, at de fysiske ændringer derfor ville være minimale i disse beslægtede forbindelser, men vi finder dramatisk forskellige magnetiske og transportegenskaber. Hvis vi kan forstå, hvorfor det sker i denne familie, det kan muligvis give os mulighed for at søge efter forbindelser med de egenskaber, vi ønsker. "

I YbRh 3 Si 7 og alle andre krystaller, atomer er arrangeret på en ordnet måde. Hver krystal har sit eget signatur strukturelle mønster, eller gitter. I krystaller indeholdende magnetiske elementer som jern eller ytterbium, det ordnede arrangement af atomer i et gitter går ofte hånd i hånd med magnetisk orden.

For eksempel, hver elektron virker som en lille roterende stangmagnet, med en positiv og negativ magnetisk pol i hver ende af sin spinakse. Elektronens magnetiske moment refererer til den retning, hvor spinaksen peger, og i elementer som jern og ytterbium, som hver indeholder mange elektroner, atomer kan have et stærkt kollektivt magnetisk moment. I ferromagneter - materialerne, der sidder fast i utallige køleskabe og biler - peger disse magnetiske øjeblikke alle i en retning. I antiferromagneter, ligesom YbRh 3 Si 7 , halvdelen af ​​øjeblikke peger den ene vej og halvt peger den modsatte vej.

Teknologivirksomheder er i stigende grad interesserede i at bruge spin i solid state-enheder. Spintronics, en voksende bevægelse, er dedikeret til at skabe spin-baserede teknologier til dataoverførsel, datalagring og beregning, herunder grundlæggende nye slags chips til kvantecomputere.

For dem, der studerer nye magnetiske materialer, som YbRh 3 Si 7 , en måde at undersøge magnetisk orden på er ved at lokke momenterne til at pege i en anden retning som reaktion på et eksternt magnetfelt. Ved at måle mængden af ​​feltenergi, der er nødvendig for at ændre retningen, som de magnetiske øjeblikke peger, fysikere kan lære meget om den rolle, krystalgitteret spiller i, hvordan de magnetiske øjeblikke udtrykker sig.

I de fleste materialer, atomernes magnetiske øjeblikke roterer gradvist i retning af det ydre felt, når intensiteten stiger. I metamagneter, krystalfeltets kræfter udøver et sådant træk, at momenterne forbliver låst på plads, selv når et eksternt felt anvendes. Men når feltenergien når et kritisk niveau, øjeblikke klikker alle øjeblikkeligt ind i et nyt arrangement, der er mere tæt på feltet. Hvis feltintensiteten øges nok, momenterne kan bringes til at flugte med feltet, men "kun gennem denne progression af trinvise ændringer, der minder om en djævletrappe, "Sagde Morosan.

Fundet af de metamagnetiske overgange var det første fingerpeg om, at noget mærkeligt var på arbejde i den krystallografiske struktur af YbRh 3 Si 7 .

"Der er meget få eksempler på metamagnetisme i ytterbium-baserede forbindelser, " sagde undersøgelsens medforfatter Macy Stavinoha, en kandidatstuderende i Morosans gruppe. "Denne overgang fik os til at se på den underliggende magnetiske struktur, hvilket var ret kompliceret. Vi var nødt til at bruge en mangfoldighed af teknikker for at bekræfte, hvad der var involveret."

Den otte år lange eksperimentelle odyssé for at tyde materialets magnetiske rækkefølge blev ledet af tidligere ph.d. studerende og medforfatter Binod Rai og inkluderede ture til Tennessee's Oak Ridge National Laboratory, Marylands National Institute of Standards and Technology, Det Forenede Kongeriges Rutherford Appleton Laboratory, Floridas National High Magnetic Field Laboratory og New Mexico's Los Alamos National Laboratory.

Morosan sagde, at eksperimenterne hjalp hendes team med at tyde den forvirrende konkurrence mellem kræfter - strukturel, elektronisk og magnetisk - på spil i YbRh 3 Si 7 .

"Der var ikke noget simpelt, i den forstand, at du kunne sidde ned, se på dataene fra et eksperiment og fortæl straks, hvad der foregik, " hun sagde.

For eksempel, forsøg viste, at de metamagnetiske overgange i YbRh 3 Si 7 opstod ved lavere felter, når magnetfeltet påføres vinkelret på nulfeltmomentretningen. Dette står i kontrast til metamagnetiske overgange i næsten alle andre ytterbium-baserede forbindelser, som opstår, når det anvendte felt er parallelt med momentretningen. Morosan sagde, at dette peger på en delikat balance mellem de forskellige energivægte i YbRh 3 Si 7 .

Et andet eksempel på konkurrerende energivægte i materialet kan ses i den forbedrede interaktion mellem magnetiske momenter og ledningselektroner. Denne interaktion, kendt som "Kondo -screening, "opstår, når bærerelektroner - de flydende partikler i elektrisk strøm - interagerer med magnetisk justerede elektroner i ytterbiumatomerne. Stavinoha sagde, at det er forvirrende, fordi YbRh 3 Si 7 har en lavere densitet af bærerelektroner end de fleste kendte Kondo -materialer.

"Du finder sjældent flere Kondo-systemer i en familie af isostrukturelle forbindelser, " sagde Stavinoha. "I familien 1-3-7, vi opdagede tre sådanne Kondo -systemer med forskellige magnetiske og elektroniske egenskaber. Denne kombination af strukturel lighed og ulighed i fysisk ejendom giver en god mulighed for sammenlignende undersøgelser. "