Glasovergang af spins og orbitaler af elektroner i en ren krystal

En fælles forskergruppe fra Osaka University og University of Tokyo afdækkede mekanismen for glasovergangen, som elektroner kan opleve i pyrochloroxidkrystaller. Forskerne viser, at forvrængninger i atomgitteret bevirker, at to typer rotationsgrader for spinsfrihed bliver koblet og danner en glasagtig tilstand ved nøjagtig samme temperatur. Dette arbejde vil kaste lys over vores forståelse af mekanismen for glasovergange, som er et af de mest fundamentale uløste problemer inden for fysik.

Pyrochloroxider er mineraler, der har den kemiske formel A ₂ B ₂ O ₇ , hvor A normalt er en sjælden jordart og B er et overgangsmetal - i dette tilfælde, molybdæn. Metalionerne i krystallen danner tetraeder, der deler hjørner. Elektronerne i ionerne er i det væsentlige bundet til kernen, men de kan stadig kredser om kernen og dreje rundt om sig selv. I en vis forstand, dette ligner bevægelser af planeter i solsystemet:planeter kredser rundt om solen, mens de også drejer rundt om sig selv.

Forskere fandt ud af, at elektronernes baner og drejninger på forskellige hjørner af tetraederne interagerer med hinanden på en kompleks måde. Nogle par spins ønsker at justere deres spindingsakser parallelt, men andre ønsker at justere anti-parallel. Desværre, der er ingen mulig måde at møde alle disse samtidigt på, så forskere siger, at spins er "frustrerede". Resultatet er mange ækvivalente konfigurationer, og spinnene ender fast med at pege i forskellige retninger, selv ved lave temperaturer. Dette er kendt som et spin-glas, da det har meget samme dynamik som afkøling af smeltet glas til fast tilstand. Det er, glasset, vi er vant til i vores vinduer og kopper, er i en mellemliggende tilstand mellem fast og flydende. Molekylerne er fastgjort på plads, som et fast stof-da de ikke har nok energi til at bevæge sig-men de er arrangeret uden rækkefølge, lidt som en "frossen væske".

"Selvom nogle systemer er kendt for at vise sådan adfærd på grund af ekstern tilfældighed, kaldes 'slukket lidelse, "vi har vist, at dette ikke er nødvendigt for at forstå pyrochlor -systemets glasagtighed, "siger første forfatter Kota Mitsumoto.

Selvom naturen ofte synes at favorisere symmetriske former, der er tilfælde, hvor tetraedriske krystaller er mere stabile, når den ene side er forlænget, og den anden komprimeres, i en proces kaldet Jahn-Teller forvrængning. Forskerne fandt ud af, at denne ændring koblede spin og frihedsgrader, hvilket fik dem til at gennemgå glasovergange ved den samme kritiske temperatur. "Vi var glade for at kunne hjælpe med at løse et mangeårigt puslespil om oprindelsen til det uordenfrie spindglas, "tilføjer seniorforfatter Hajime Yoshino.

Teamet brugte computersimuleringer sammen med teoretiske beregninger for at vise, at ved denne kritiske temperatur, den ikke-lineære reaktion på eksterne magnetfelter bliver meget stor, som forventet for en glasovergang.

"Vi demonstrerede, for første gang, hvordan en termodynamisk glasovergang kan forekomme på et periodisk gitter uden slukket tilfældighed, "siger Mitsumoto." Vi håber, at vores fund kan forbedre forståelsen af ​​glasovergangen generelt. "