Forskere ændrer magnetisk adfærd af eksotiske materialer

Folk er ikke de eneste, der lejlighedsvis er frustrerede. Nogle krystaller viser også frustrationer. De gør det hver gang deres elementære magneter, de magnetiske spins, kan ikke justere ordentligt. Cæsiumkobberchlorid (Cs ₂ CuCl ₄ ) - eller kort sagt CCC - er et glimrende eksempel på frustrerede materialer. I denne krystal, de magnetiske kobberatomer ligger på et trekantet gitter og søger at justere sig antiparallelt med hinanden. I en trekant, dette virker ikke, imidlertid. Denne geometriske frustration udfordrer fysikere. Trods alt, det lover opdagelsen af ​​nye magnetiske fænomener, som måske endda vil blive brugt til kvantecomputere i fremtiden. For bedre at undersøge og forstå de underliggende grundlæggende principper, fysikere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) i Tyskland, støttet af japanske og amerikanske kolleger, kan nu styre den magnetiske kobling ved hjælp af en elegant målemetode.

"Vores mål er at belyse de komplekse kvanteprocesser i geometrisk frustrerede krystaller i detaljer, " forklarer Dr. Sergei Zvyagin fra Dresden High Magnetic Field Laboratory ved HZDR. Teorier om den magnetiske opførsel af krystaller som CCC florerer. Men indtil videre, sofistikerede eksperimenter for at teste disse teorier på selve objektet har manglet. Til denne ende, det er nyttigt bevidst at ændre styrken af ​​vekselvirkningerne mellem de magnetiske atomer.

Fysikere i mange laboratorier tager ofte en kedelig vej:de producerer krystaller med geometrisk frustration i en lidt anderledes kemisk sammensætning. Dette ændrer den magnetiske interaktion mellem de elementære magneter, men nogle gange også - utilsigtet - krystalstrukturen. Zvyagin forlod dette besværlige, rent kemisk vej til dybere viden. I stedet, han brugte højtryk. Under disse forhold, styrken af ​​koblingen af ​​de magnetiske spins kan ændres quasi-kontinuerligt.

"Med den nye metode, vi kan kontrollere koblingsparametrene i krystallen og samtidig måle virkningerne på de magnetiske egenskaber, " siger Sergei Zvyagin. Han modtog CCC-krystallerne for sine eksperimenter fra Dr. Hidekazu Tanakas gruppe ved Tokyo Institute of Technology. Med en kantlængde på blot et par millimeter og deres glitrende orange gennemskinnelighed, de minder mere om lyse granat ædelstene end om kunstige krystaller dyrket i laboratoriet.

Også i Japan, ved Tohoku University i Sendai, Zvyagin og hans kolleger placerede krystallerne i en højtrykspresse med stempler lavet af højstyrke zirconiumoxid. Forskerne øgede gradvist trykket til omkring to gigapascal - et tryk svarende til det, som vægten af ​​en bil udøver på en overflade på størrelse med en farveblyant.

"Under dette pres, afstandene mellem atomerne ændrede sig meget lidt, " siger Zvyagin. "Men de magnetiske egenskaber af krystallen viste en drastisk ændring." Forskerne var i stand til at måle disse ændringer direkte ved hjælp af elektronspinresonans (ESR). De bestemte transmittansen for lys (eller mere præcist, mikrobølger) i et meget stærkt eksternt magnetfelt på op til 25 Tesla - omkring en halv million gange stærkere end Jordens magnetfelt. Ud over, krystallen skulle dybfryses til -271 grader Celsius, næsten til det absolutte nul, for at undgå forstyrrende påvirkninger forårsaget af varme.

Disse målinger i et stærkt eksternt magnetfelt afslørede materialets meget usædvanlige magnetiske egenskaber. Forskerne var i stand til at variere styrken af ​​koblingen mellem nabomagnetiske spins ved at ændre trykket. Yderligere målinger ved hjælp af en yderligere metode fra materialeforskning - tunnel diode oscillator (TDO) teknikken - komplementerede disse resultater. TDO-målingerne blev udført - også under høje tryk og i stærke magnetiske felter - ved Florida State University i Tallahassee.

Ud over, Zvyagin og hans kolleger fandt bevis for, at CCC under højt tryk udviser en kaskade af nye faser med stigende magnetfelt, fraværende ved nul tryk. "Takket være disse målinger, vi er nu et skridt videre hen imod en bedre forståelse af mangfoldigheden af ​​disse faser, " siger professor Joachim Wosnitza, leder af Dresden High Magnetic Field Laboratory.

"Den nøjagtige identifikation af disse faser er et af vores næste mål, " siger Zvyagin. I fremtiden, han har til hensigt at bestemme de nøjagtige strukturer af sine CCC-krystaller ved hjælp af neutronspredning. For disse planer, han værdsætter de fremragende forskningsbetingelser, som HZDR tilbyder med dets tætte internationale netværk. "For mig, det er et ideelt sted for min interesse for grundforskning, " siger fysikeren. "Og hvis vi forstår kvanteprocesserne i disse krystaller med frustreret geometri, applikationer kunne også dukke op."

Joachim Wosnitza ser også et stort potentiale i disse krystallers eksotiske magnetiske egenskaber. "Man kunne forestille sig langlivede kvantesystemer, hvor de magnetiske spins kan bruges på en kontrolleret måde, " siger Wosnitza. "Om dette så vil føre til en kvantecomputer eller en speciel sensor kan endnu ikke forudses, Vejen til sådanne applikationer kan stadig være meget lang. Men med deres vellykkede målinger, HZDR-forskerne har ingen grund til at være frustrerede - i modsætning til deres krystalprøver.