Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойФизикаДо сих пор невозможно – физики постоянно меняют тип магнетизма в кристалле

До сих пор невозможно – физики постоянно меняют тип магнетизма в кристалле

- Advertisement -

Исследователи успешно изменили магнетизм кристалла, применяя давление. Этот метод, который изменяет магнитные взаимодействия в кристаллической решетке, может произвести революцию в хранении данных и квантовых вычислениях, контролируя геометрические нарушения и магнитные свойства.

На магнетизм влияет поведение электронов. Например, эти крошечные частицы могут создавать электрический ток, используя свой заряд, который, в свою очередь, может создавать магнитное поле. Кроме того, магнетизм может возникнуть в результате скоординированного выравнивания магнитных моментов или спинов внутри вещества. До сих пор было невозможно непрерывно изменять вид магнетизма, присутствующего в кристалле.

Международная исследовательская группа под руководством профессора Венского технического университета Андрея Пустогова теперь преуспела в этом: изменить магнетизм «нажатием кнопки». Для этого команда постоянно изменяла магнитные взаимодействия в монокристалле, применяя давление. Недавно исследователи опубликовали свои результаты в известном журнале. Письма о физических отзывах.

Магнетизм завораживает

Люди были очарованы магнетизмом на протяжении тысячелетий, и именно он сделал возможными многие технические применения. От компасов и электродвигателей до генераторов – эти и другие устройства не существовали бы без ферромагнетизма. Хотя ферромагнетизм уже хорошо изучен, фундаментальные исследования все больше интересуются другими формами магнетизма. Они представляют особый интерес для безопасного хранения данных и как потенциальные платформы для квантовых компьютеров.

Андрей Пустогов (слева), Максимилиан Шпиталер (справа) и его коллеги показывают, как выглядит магнитное разочарование в треугольной сетке. Кредит: ТУ Вена

«Однако поиск новых форм магнетизма и полный контроль над ними — чрезвычайно сложная задача», — говорит руководитель исследования Андрей Пустогов.

Ферромагнетизм и антиферромагнетизм

Спины можно представить как маленькие стрелки компаса, которые могут выравниваться во внешнем магнитном поле и сами иметь магнитное поле. В случае ферромагнетизма, который используется в постоянных магнитах, все спины электронов выравниваются параллельно друг другу. В некоторых расположениях электронных спинов, например в обычных квадратных, шахматных кристаллических решетках, возможно и антипараллельное расположение спинов: соседние спины всегда направлены поочередно в противоположные стороны.

В случае треугольных решеток (или решеток, в которых встречаются треугольные структуры, таких как более сложная решетка кагоме) полностью антипараллельное расположение невозможно: если два угла треугольника имеют противоположные направления вращения, оставшаяся сторона должна соответствовать одному из двух направлений. . Оба варианта – «вверх» или «вниз» – тогда совершенно эквивалентны.

«Эта возможность существования множества идентичных альтернатив известна как «геометрическая фрустрация» и возникает в кристаллических структурах со спинами электронов, расположенными в треугольной, кагоме или сотовой решетке», — объясняет Пустогов. В результате образуются хаотично расположенные пары спинов, причем некоторые спины вообще не находят партнера. «Оставшиеся непарные магнитные моменты могут быть запутаны друг с другом, манипулировать ими с помощью внешних магнитных полей и, таким образом, использоваться для хранения данных или вычислительных операций в квантовых компьютерах», — говорит физик твердого тела Пустогов.

Изменилось разочарование через давление

«В реальных материалах мы еще далеки от такого состояния идеального разочарования. Прежде всего, нам нужно иметь возможность точно контролировать симметрию кристаллической решетки и, следовательно, магнитные свойства», — говорит Андрей Пустогов. Хотя материалы с сильным геометрическим расстройством уже могут быть получены, непрерывный переход от слабого к сильному разочарованию и наоборот пока невозможен, особенно в одном и том же кристалле.

Чтобы изменить магнетизм исследуемого материала «нажатием кнопки», исследователи подвергли кристалл давлению. Начиная со структуры кагоме, кристаллическая решетка деформировалась одноосным напряжением, что изменило магнитные взаимодействия между электронами. «Мы используем механическое давление, чтобы заставить систему двигаться в предпочтительном магнитном направлении. Как иногда и в реальной жизни, стресс уменьшает разочарование, потому что решение навязывается нам, и нам не нужно принимать его самостоятельно», — говорит Андрей Пустогов. Команде удалось повысить температуру магнитного фазового перехода более чем на десять процентов. «На первый взгляд это может показаться не таким уж большим, но если бы температуру замерзания воды повысить, например, на десять процентов, она бы замерзла при температуре 27 °C – с серьезными последствиями для мира, каким мы его знаем», – объясняет Пустогов.

Хотя в данном случае геометрическое разочарование было уменьшено за счет механического давления, исследовательская группа теперь нацелена на увеличение разочарования, чтобы полностью устранить антиферромагнетизм и реализовать квантовую спиновую жидкость, как описано выше. «Возможность активного управления геометрическими нарушениями посредством одноосного механического напряжения открывает дверь к невероятным манипуляциям со свойствами материала «нажатием кнопки», — резюмирует Андрей Пустогов.

Ссылка: «Управляемое устранение разочарования в решетке Кагоме путем настройки одноосной деформации», Джиерон Ван, М. Спиталер, Ю.-С. Су, К.М. Зох, К. Креллнер, П. Пуфал, С.Э. Браун и А. Пустогов, 18 декабря 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.256501.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме