At opnå orden i det frustrerede landskab af uordnet magnetisme

At identificere et materiales magnetiske struktur er en nøgle til at låse op for nye funktioner og højere ydeevne i elektroniske enheder. Imidlertid, løsning af stadig mere komplekse magnetiske strukturer kræver stadig mere sofistikerede tilgange.

Forskere fra Center for Materiale Krystallografi ved Aarhus Universitet, Danmark, er banebrydende for en ny teknik til at løse meget komplicerede magnetiske strukturer ved hjælp af neutroner ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Deres mål er at udvikle teknikken - baseret på matematisk analyse af store tredimensionelle diffraktionsdata - for at etablere en basislinjetilgang, der kan tilpasses til en bred klasse af magnetiske materialer med forskellige strukturer.

"I magnetiske materialer, mange af atomerne har et magnetisk moment, eller et spin, der fungerer som en meget lille magnet. I typiske magneter, som køleskabsmagneter, hver enkelt af dem er justeret i samme retning, og de kombineres for at danne et større magnetisk moment – ​​der gør det muligt for os at klæbe ting til vores køleskab. Det er et eksempel på en ordnet magnetisk struktur, hvor et bestemt mønster gentages igen og igen, " sagde Aarhus-forsker Nikolaj Roth. "Men vi er mere interesserede i forstyrrede systemer, eller frustreret magnetisme, hvor der ikke er en langrækkende magnetisk orden. Hvor der ikke er noget fast mønster af spins, som gentager sig. Det er her, der sker alle mulige pæne ting."

Selvom "frustreret" eller forstyrret magnetisme kan virke tilfældig eller endda kaotisk, "det er ikke, " forklarede Roth. Der er sammenhænge mellem spins, hvis kun for en kort afstand - kendt som kortrækkende magnetisk rækkefølge. Hvis de dynamiske egenskaber ved frustreret magnetisme kan udnyttes, disse materialer kunne bruges til at udvikle ny elektronik med enormt avancerede muligheder. At, selvfølgelig, afhænger af evnen til hurtigere at identificere kortdistancekorrelationer i magnetiske materialer, mere effektivt, og i en meget bredere skala.

"Et par år siden, vi udviklede en ny teknik til analyse af dataene, som gjorde det muligt at se disse kortdistancekorrelationer meget let, " sagde Roth.

I de tidlige eksperimenter, holdet har med succes beregnet de magnetiske korrelationer i en bixbyite-prøve - et mangan-jernoxidmateriale fundet i Utah. I dette opfølgende eksperiment, de brugte bixbyit fra Sydafrika, der har et andet forhold mellem mangan og jern og derfor har en lidt anden magnetisk struktur.

"Vi får hjælp fra Moder Natur, fordi vi ikke behøver at syntetisere disse materialer, de findes simpelthen i jorden, " sagde forsker Kristoffer Holm. "Prøven fra Utah er omkring 50:50 jern til mangan, hvorimod den fra Sydafrika er mere som 70:30. De er meget nært beslægtede prøver, og vi håber, de kan fortælle os, hvordan forskellene i sammensætning vil påvirke deres kortdistance-korrelationer."

Neutroner er velegnede til at studere magnetisk adfærd, fordi partiklerne selv fungerer som små magneter. Neutroner kan trænge dybere ind i mange materialer end andre komplementære metoder; og fordi de ikke har noget gebyr, de interagerer med prøver uden at kompromittere eller beskadige materialet for at afsløre kritisk information om energi og stof på atomær skala.

På egen hånd, rene jern og rene mangansammensætninger har ordnede strukturer ved lave temperaturer, hvor deres spins er justeret i overensstemmelse med et specifikt gentaget mønster. Men når de kombineres, de bliver uordnede og danner en "spinglas"-tilstand under 30 Kelvin (ca. minus 400° Fahrenheit), hvor et komplekst mønster af spin -justeringer bliver fast.

Kort rækkevidde magnetisk orden har et svagt signal og er svært at opdage med konventionelle neutronspredningsinstrumenter. Imidlertid, CORELLI-strålelinjen ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) giver en høj flux, eller stort antal neutroner, med et detektorarray, der kan fange store mængder data hurtigt og med hidtil usete detaljer. Ved at bruge CORELLI, holdet var i stand til at kvantificere den sydafrikanske bixbyite-prøves magnetiske struktur for at foretage sammenligninger mellem den og materialets atomstruktur.

"CORELLI er det eneste instrument i verden, der kunne udføre dette eksperiment, som vi har brug for det. Det giver os mulighed for at måle i alle retninger, selv ved høje vinkler, og det gør det meget hurtigt, hvilket er præcis, hvad vi har brug for til den teknik, vi er ved at udvikle, "sagde forsker Emil Klahn." Selvom vi kunne gøre det på en anden facilitet, det ville tage uger at gøre det, vi har været i stand til på kun få dage."

Holdet siger, at med en fuldt udviklet teknik, de vil være i stand til at studere lignende materialer, der udviser bizar og usædvanlig adfærd eller stoftilstande; kandidatmaterialer omfatter kvante -spin -væsker, spin is, og ukonventionelle superledere. På tur, disse indsigter kan føre til en bred vifte af radikalt avancerede elektroniske applikationer.