Ny undersøgelse viser unikke magnetiske overgange i kvasikrystallignende strukturer

I materialevidenskabens verden, mange har hørt om krystaller - stærkt ordnede strukturer, hvor atomer er arrangeret stramt og periodisk (hvor atomarrangementet gentages). Men, ikke mange mennesker ved om kvasikrystaller, som er unikke strukturer med mærkelige atomarrangementer. Som krystaller, kvasikrystaller er også tæt arrangeret, men hvad der er anderledes ved dem, er det faktum, at de besidder en hidtil uset femkantet symmetri, sådan at atomarrangementet er stærkt ordnet, men ikke periodisk.

Dette særpræg giver dem unikke egenskaber, som høj stabilitet, modstand mod varme, og lav friktion. Siden deres opdagelse kun for omkring 30 år siden, forskere globalt har forsøgt at forstå egenskaberne ved kvasikrystaller, i et forsøg på at gøre flere fremskridt inden for materialeforskning. Men, det er ikke let, da kvasikrystaller ikke er udbredt i naturen. Heldigvis de har været i stand til at gøre brug af strukturer, der ligner kvasikrystaller, kaldet "tilnærminger af Tsai-typen". At forstå disse strukturer i detaljer kan give indsigt i de mange egenskaber ved kvasikrystaller. En sådan egenskab er antiferromagnetisme, hvor magnetiske øjeblikke er justeret i en quasiperiodisk rækkefølge, markant adskilt fra konventionelle antiferromagneter. Denne ejendom er aldrig blevet observeret i kvasikrystaller hidtil, men muligheden var spændende for materialeforskere, da det kunne være en gateway til et væld af nye applikationer.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang B:Hurtig kommunikation , et team af forskere ved Tokyo University of Science, ledet af prof Ryuji Tamura, fandt for første gang, at en type af tilnærmelse af Tsai-typen udviser en antiferromagnetisk overgang. Dette var et spændende fund, som det antydede, at selv kvasikrystaller kunne vise en sådan overgang. Forskerne vidste allerede, at tilnærmede af Tsai-typen har to forskellige varianter:1/1 og 2/1 approximanter.

Hovedforskellen mellem de to er, at 2/1 tilnærmede indeholder en ekstra rombohedral enhed i deres struktur, som er fraværende i 1/1 typen, gør dem endnu mere højtordnede og tættere på strukturen af ​​kvasikrystaller. Og derfor ønskede forskerne at se de forhold, hvor 2/1 tilnærmede kunne vise antiferromagnetisme; det skabte en mulighed for at se denne nye ejendom selv i kvasikrystaller. Prof Tamura siger, "Antiferromagnetiske overgange er blevet observeret hos 1/1 tilnærmede, men vi observerede det i en 2/1 approximant for første gang. Dette er interessant, fordi i modsætning til 1/1 -tilnærmelsen, 2/1 -approximanten indeholder alle de komponenter, der er nødvendige for at konstruere en kvasikrystal. "

For at se nærmere på 2/1 tilnærmelses magnetiske egenskaber, forskerne syntetiserede metalliske legeringer med en krystallinsk struktur, som indeholdt både 1/1 og 2/1 approximanter. Ved at bruge en enhed kaldet superledende kvanteinterferensenhed (SQUID), de studerede de betingelser, hvorunder tilnærmelserne viste forskellige magnetiske egenskaber. Interessant nok, de fandt ud af, at en enkelt parameter dikterer tilstedeværelsen af ​​antiferromagnetisme i begge typer af approximanter. Dette var forholdet mellem elektron pr. Atom, som var lidt forskellige i de to typer. Ved at manipulere forholdet mellem elektron og atom, Prof Tamura og hans team så en "overgang" til en antiferromagnetisk tilstand i begge typer af tilnærminger. Denne ejendom var set i 1/1 typen før, men aldrig i 2/1 approximanten. Det var en spændende udvikling, da den meget ordnede struktur i 2/1 -approximanten betød, at den kunne bruges til at generere kvasikrystaller, hvilket gør dette til den allerførste undersøgelse for at vise muligheden for antiferromagnetiske kvasikrystaller.

Uddybning af deres fund, Prof Tamura siger, ”Det lykkedes os at observere, for første gang, antiferromagnetiske overgange i 1/1 og 2/1 AFM -approximanterne i samme legeringssystem. "Han tilføjer, "Vores fund viser klart, at den antiferromagnetiske orden overlever i 2/1 højere ordens tilnærmelse, som har alle byggestenene til at skabe en kvasikrystal. "

Betydningen af ​​kvasikrystaller - såsom i rutinemæssige applikationer som at lave stegepander og nåle til akupunktur og kirurgi - er velkendt. Men, i betragtning af deres helt nye opdagelse, ikke meget er blevet forstået om, hvad der gør dem så unikke. Ved at vise eksistensen af ​​antiferromagnetisme i en kvasikrystallignende struktur, Prof Tamura og hans team har potentielt banet vejen for større udvikling inden for kvasikrystalforskning. Prof Tamura slutter af med at sige:"Antiferromagnetiske kvasikrystaller var aldrig set før, og denne opdagelse har en stor akademisk indvirkning. "Han tilføjer, "Muligheden for eksistensen af ​​antiferromagnetiske kvasikrystaller er et stort skridt i retning af at dechiffrere kvasikrystals mysterium."