Jättimäistä venytystä kvanttimateriaalissa

St Andrewsin yliopiston tutkimus on asettanut uuden vertailukohdan tarkkuudelle, jolla tutkijat voivat tutkia kvanttimateriaalien perusfysiikkaa.

Työllä on vaikutuksia materiaalitieteestä edistyneeseen laskentaan, ja se vahvistaa lähes 100 vuotta vanhan ennusteen.

Tutkijat selvittivät magnetoelastista kytkentää, joka tarkoittaa materiaalin koon tai muodon muutosta, kun se altistetaan magneettikentälle. Se on yleensä pieni vaikutus, mutta sillä on teknologisia seurauksia.

St Andrewsin yliopiston fysiikan ja tähtitieteen tiedekunnan ryhmä on nyt havainnut, että tämä vaikutus on huomattavan suuri tapauksessa, jossa sitä ei olisi odotettu – siirtymämetallioksidissa. Oksidit ovat kemiallisia yhdisteitä, joiden kemiallinen kaava sisältää vähintään yhden happiatomin ja yhden muun alkuaineen. Korkean lämpötilan suprajohteet ovat yksi merkittävimmistä esimerkeistä siirtymämetallioksidista.

Uraauurtavassa tutkimuksessaan yhteistyössä italialaisen CNR-SPINin ja Bonnin yliopiston kanssa tutkijat osoittavat, kuinka atomien magneettisen linjauksen hienovaraisilla muutoksilla on vain hienovarainen vaikutus elektronisiin tiloihin, mutta dramaattinen vaikutus rakenteellisiin ominaisuuksiin, saaden materiaalin venymään tai supistumaan.

Työssään tutkimusryhmä havaitsi, että muutokset vahvistivat jo 1930-luvulla kuvattua magneettisen järjestyksen ja atomien etäisyyksien välistä vuorovaikutusta. Vaikka se alun perin kehitettiin kuvaamaan alkuainemetallien magnetismia, kirjoittajat osoittivat, että se pitää paikkansa myös monimutkaisessa oksidimateriaalissa.

Merkillepantavaa on, että heidän mittaamansa muutokset olivat paljon suurempia kuin nykyiset teoreettiset mallit ennustivat. Magnetismin ja kiderakenteen vuorovaikutus voi olla tärkeää myös muissa siirtymämetallien oksideissa.

Johtava kirjoittaja, tohtori Carolina Marques St Andrewsin yliopistosta, selvittää: ”Havaitsimme, että pystyimme hallitsemaan pinnan magnetisaatiota erillään itse materiaalin magnetisaatiosta, mikä mahdollisti meille hienovaraisten muutosten mittaamisen suoraan elektronitiloissa. Nämä muutokset liittyvät siihen, ovatko pinta- ja pinnanalaisten kerrosten magneettiset momentit yhdensuuntaisia ​vai vastakkaisia, mikä mahdollisti meille pienten rakenteellisten muutosten havaitsemisen alle pikometrin tarkkuudella. Yksi pikometri on noin sata kertaa pienempi kuin atomin säde.

Löydöksemme voisivat myös johtaa innovatiivisiin menetelmiin magneettisten tilojen lukemiseksi puhtaasti elektronisesti tai rakenteellisesti, mikä voisi mullistaa tiedontallennustekniikat.”

Professori Peter Wahl korosti merkitystä: ”Tutkimuksemme avaa uusia väyliä kvanttimateriaalien rakenteellisten, elektronisten ja magneettisten ominaisuuksien monimutkaisen vuorovaikutuksen ymmärtämiseen. Se korostaa elektronien välisten korrelaatioiden merkitystä tässä vuorovaikutuksessa. Korrelaatiot ja niiden vaikutus atomien järjestäytymiseen materiaalissa ovat ilmiöiden, kuten korkean lämpötilan suprajohtavuuden, ytimessä, ja niiden parempi ymmärtäminen voisi tasoittaa tietä suprajohtavuuden vakauden lisäämiselle ja materiaalien hyödyllisyyden parantamiselle uusille ja vihreämmille teknologioille.”

Aiheesta aiemmin:

Kiraalinen ja magneettinen suprajohde

Magnetismi ja korkean lämpötilan suprajohteet

Muisti ferrosähköisestä ja ferromagneettisesta alueista