Forskere demonstrerer, hvordan magnetisme aktivt kan ændres ved tryk

Magnetisme opstår afhængigt af, hvordan elektroner opfører sig. For eksempel kan elementarpartiklerne generere en elektrisk strøm med deres ladning og derved inducere et magnetfelt. Magnetisme kan dog også opstå gennem den kollektive justering af de magnetiske momenter (spin) i et materiale. Hvad der dog ikke har været muligt indtil nu, er løbende at ændre typen af ​​magnetisme i en krystal.

Et internationalt forskerhold ledet af TU Wien-professor Andrej Pustogow er nu lykkedes med at gøre netop det:At ændre magnetismen "ved at trykke på en knap." Til det ændrede holdet kontinuerligt de magnetiske interaktioner i en enkelt krystal ved at påføre tryk. Forskerne har for nylig offentliggjort deres resultater i Physical Review Letters .

Mennesker har været fascineret af magnetisme i tusinder af år, og det har gjort mange tekniske anvendelser mulige i første omgang. Fra kompas og elektriske motorer til generatorer – disse og andre enheder ville ikke eksistere uden ferromagnetisme.

Mens ferromagnetisme allerede er godt undersøgt, er grundforskning i stigende grad interesseret i andre former for magnetisme. Disse er af særlig interesse for sikker datalagring og som potentielle platforme for kvantecomputere. "Men det er ekstremt vanskeligt at søge efter nye former for magnetisme og kontrollere dem fuldt ud," siger studielederen Andrej Pustogow.

Spins kan visualiseres som små kompasnåle, der kan rette sig ind i et eksternt magnetfelt og selv have et magnetfelt. I tilfælde af ferromagnetisme, som bruges i permanente magneter, justeres alle elektronspin parallelt med hinanden. I nogle arrangementer af elektronspind, for eksempel i almindelige firkantede krystalgitter af skakternet-type, er en anti-parallel justering af spindene også mulig:Nabospind peger altid skiftevis i modsatte retninger.

Med trekantede gitter (eller gitter, hvori der opstår trekantede strukturer, såsom det mere komplekse kagome-gitter), er et fuldstændig antiparallelt arrangement ikke muligt:​​Hvis to hjørner af en trekant har modsatte spin-retninger, skal den resterende side matche en af ​​de to retninger . Begge muligheder – spin op eller spin ned – er så nøjagtigt ækvivalente.

"Denne mulighed for flere identiske alternativer er kendt som 'geometrisk frustration' og forekommer i krystalstrukturer med elektronspin arrangeret i trekantede, kagome- eller honeycomb-gitter," forklarer faststof-fysikeren Pustogow. Som et resultat dannes der tilfældigt arrangerede spin-par, hvor nogle spin slet ikke finder en partner.

"De resterende uparrede magnetiske momenter kan vikles ind i hinanden, manipuleres med eksterne magnetfelter og dermed bruges til datalagring eller beregningsoperationer i kvantecomputere," siger Pustogow.

"I virkelige materialer er vi stadig langt fra sådan en tilstand af ideel frustration. Først og fremmest skal vi være i stand til præcist at kontrollere symmetrien af ​​krystalgitteret og dermed de magnetiske egenskaber," siger Pustogow. Selvom materialer med stærk geometrisk frustration allerede kan fremstilles, har en kontinuerlig ændring fra svag til stærk frustration og omvendt ikke været mulig endnu, især ikke i en og samme krystal.

For at ændre magnetismen i det undersøgte materiale "ved at trykke på en knap", satte forskerne krystallen under pres. Med udgangspunkt i en kagome-struktur blev krystalgitteret deformeret af enakset spænding, som ændrede de magnetiske interaktioner mellem elektronerne.

"Vi bruger mekanisk pres til at tvinge systemet ind i en foretrukken magnetisk retning. Som nogle gange i det virkelige liv reducerer stress frustration, fordi en beslutning er påtvunget os, og vi ikke behøver at træffe den selv," siger Pustogow.

Det lykkedes for teamet at øge temperaturen på den magnetiske faseovergang med mere end 10 %. "Det ser måske ikke meget ud ved første øjekast, men hvis frysepunktet for vand blev øget med 10 %, for eksempel, ville det fryse ved 27°C - med alvorlige konsekvenser for verden, som vi kender den," forklarer Pustogow.

Mens geometrisk frustration i det aktuelle tilfælde blev reduceret af mekanisk tryk, sigter forskerholdet nu på en stigning i frustration for fuldstændigt at eliminere antiferromagnetisme og realisere en kvantespinvæske som beskrevet ovenfor. "Muligheden for aktivt at kontrollere geometrisk frustration gennem enakset mekanisk spænding åbner døren til uanede manipulationer af materialeegenskaber 'ved at trykke på en knap'," siger Pustogow.

Flere oplysninger: Jierong Wang et al., Controlled Frustration Release on the Kagome Lattice by Uniaxial-Strain Tuning, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256501. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.08613

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af Vienna University of Technology