Undersøgelse rapporterer vellykket syntese af centimeterstore enkeltkrystaller

En spin væske er en speciel tilstand af stof, der opstår i visse magnetiske materialer ved meget lave temperaturer. Trods navnet har den ikke noget med væsker at gøre i dagligdags forstand. Normalt, i en magnet, vil disse elektronspind gerne stille op i en bestemt rækkefølge.

Men i en spin-væske, på grund af kvantemekanikkens mærkelighed, bliver spinsene frustrerede og nægter at sætte sig ind i et regulært mønster, selv ved meget kolde temperaturer. Fraværet af klassiske ordensparametre gør det vanskeligt at identificere ved hjælp af en enkelt teknik. Tilgængeligheden af ​​store enkeltkrystaller muliggør detaljerede undersøgelser såsom magnetisk anisotropi og magnetiske excitationer undersøgt af uelastisk neutronspredning.

For nylig er en undersøgelse offentliggjort i Materials Futures rapporterede den vellykkede syntese af centimeterstore enkeltkrystaller af PrMgAl₁₁ O₁₉ , en ny spin flydende kandidat baseret på det trekantede gitter.

I dette papir brugte forfatterne højtryks-optisk flydende zone-teknik til at producere en højkvalitets PrMgAl₁₁ O₁₉ enkelt krystal, som er isostrukturel til sin søsterforbindelse PrZnAl₁₁ O₁₉ der er blevet foreslået som en Dirac spin liquid-kandidat.

Syntesen af ​​en enkelt krystal muliggør en detaljeret strukturkarakterisering ved hjælp af enkeltkrystal røntgendiffraktionsmålinger. En omhyggelig forfining afslører en tilstedeværelse af cirka 7 % lidelse ved Pr ³⁺ websted. Dette er vigtig information siden for lignende forbindelser såsom YbMgGaO₄ , driver stedforstyrrelsen mellem Mg og Ga systemet i en spinglastilstand.

Dog magnetiske og termodynamiske målinger på PrMgAl₁₁ O₁₉ indikerer fraværet af magnetisk rækkefølge på lang rækkevidde og spin-frysning ned til så lavt som 50 mK, dog med en stor spin-spin-interaktion, ~ -8 K.

Målingerne af magnetisering, krystalelektrisk felt (CEF) og elektronspinresonans (ESR) indikerer yderligere en Ising-anisotropi, hvor momenterne peger ud af det trekantede plan. Mens Heisenberg-modellen på det trekantede gitter normalt fører til en magnetisk ordnet tilstand, kan Ising-modellen resultere i en makroskopisk degenereret spin-væsketilstand.

Dette er blevet foreslået for TmMgGaO₄ og NdTa₇ O₁₉ for eksempel. Førstnævnte viser dog en delvis ordenstilstand under 0,7 K, og mangel på store enkeltkrystal for sidstnævnte hindrer yderligere undersøgelser. Således tilgængeligheden af ​​store enkeltkrystaller for PrMgAl₁₁ O₁₉ giver en lovende mulighed for at undersøge den trekantede Ising-model i dybden

I de senere år er det blevet indset, at lidelse kan føre til eksotiske faser såsom spin-væske-lignende tilfældige-singlet-tilstande. At forstå lidelsens rolle er lige så udfordrende som at producere ideelle krystaller. I denne undersøgelse forekommer lidelse inden for det trekantede magnetiske undergitter, i modsætning til YbMgGaO₄ hvor uorden er på det ikke-magnetiske sted.

Udskiftning af Pr med et andet sjældent jordarters element kan resultere i forskellige grader af uorden på det magnetiske sted. Dette giver en kontrollerbar måde at manipulere lidelse på. Udskiftning af sjældne jordarters ioner vil også ændre den lokale spin-karakter, hvilket giver en anden indstillingsparameter for magnetisme.

Med store enkeltkrystaller og talrige tilgængelige kemiske substitutioner er denne forskningsvej lovende til at opdage materialer med forskellige egenskaber som superledning, nye kvantefænomener og eksotiske spin-teksturer.

Flere oplysninger: Yantao Cao et al., Synthesis, disorder and Ising anisotropy in a new spin liquid candidate PrMgAl11O19, Materials Futures (2024). DOI:10.1088/2752-5724/ad4a93

Leveret af Songshan Lake Materials Laboratory