Voor de eerste keer, natuurkundigen presenteren een uniforme theorie die twee karakteristieke kenmerken van gefrustreerde magneten verklaart en waarom ze vaak samen worden gezien.

Als natuurkundigen neutronen door een gefrustreerde magneet laten schieten, de deeltjes spuiten de andere kant uit in kenmerkende patronen. De ontwerpen verschijnen omdat, zelfs bij lage temperaturen, atomen in een gefrustreerd metaal oscilleren in de tijd met elkaar. Een onderscheidend patroon, bekend als een "knijppunt, " lijkt op een vlinderdas en wordt veel bestudeerd in de wereld van spinvloeistoffen. Knijppunten gaan vaak gepaard met mysterieuze halvemaanpatronen die "halve manen, " maar de fysica die de verschijnselen met elkaar verbindt, is nooit opgehelderd.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben onthuld dat knijppunten en halve manen één en dezelfde zijn - gewoon handtekeningen van dezelfde fysica op verschillende energieniveaus. Hun verenigde theorie, gepubliceerd op 12 oktober 2018, als een Fysieke beoordeling B Snelle communicatie, is de eerste die de onderliggende fysica verklaart die de vaak gepaarde verschijnselen aanstuurt.

"De theorie zelf is nogal eenvoudig, " zei Han-Yan, een afgestudeerde student in de Theory of Quantum Matter Unit bij OIST en eerste auteur van de studie. "Van dezelfde theorie die je het knelpunt geeft bij lagere energie, je kunt berekenen wat er gebeurt bij hogere energie - en je krijgt een paar halve manen."

Als je inzoomt op een gefrustreerde magneet, elk atoom waaruit het materiaal bestaat, lijkt grillig te draaien. In werkelijkheid, echter, deze atomen nemen deel aan een prachtig gecoördineerde dans, draaien in de tijd met elkaar zodat hun magnetische aantrekkingskracht uiteindelijk opheft. Dit ballet is moeilijk direct waar te nemen, dus in plaats daarvan, natuurkundigen zoeken naar veelbetekenende aanwijzingen dat de uitvoering plaatsvindt.

Een experimentele techniek genaamd neutronenverstrooiing stelt wetenschappers in staat om deze aanwijzingen te verzamelen. Neutronen dragen geen elektrische lading, maar ze fungeren wel als een gelokaliseerde bron van magnetisme. Individuele atomen werken ook als kleine magneten, compleet met hun eigen noord- en zuidpool. Wanneer verzonden suizend door een materiaal, de snelheid en richting van een neutron wordt weggeslingerd door de atomen die het passeert, en zo is het "verstrooid".

Het patroon van de verstrooiing vertelt natuurkundigen hoe atomen zich in een materiaal gedragen. Bijvoorbeeld, als neutronen helter-skelter verstrooien, natuurkundigen concluderen dat de atomen in een materiaal willekeurig zijn uitgelijnd. Als neutronen zich verspreiden in een kenmerkende vlinderdas, ze concluderen dat de atomen in tandem ronddraaien, zoals ze zouden doen in een gefrustreerde magneet.

Knijppunten verschijnen wanneer een gelijk aantal atomaire magneten, of "draait, " wijzen "uit" als "in" wijzend in elk gebied van de gefrustreerde magneet. Dit evenwicht maakt het materiaal niet-magnetisch en houdt het op een minimaal energieniveau.

Halve manen verschijnen wanneer een gefrustreerde magneet meer energie heeft dan dit minimale niveau, en schendt dus de lokale behoudswet die vereist dat een gelijk aantal spins wordt aangegeven als in. In wezen, halve manen zijn knijppunten op een curve. Hoe groter de kromming, hoe sterker de overtreding, hoe meer energie het systeem verbruikt. De OIST-onderzoekers hebben deze relatie in hun berekeningen ontdekt en later op de proef gesteld.

De onderzoekers testten hun verenigde theorie in een gesimuleerd systeem waar knijppunten en halve manen samen kunnen worden waargenomen, bekend als een Heisenberg antiferro-magneet op een Kagome-rooster. Ze pasten hun vergelijkingen ook toe op recente waarnemingen van de gefrustreerde magneet Nd2Zr2O7 en ontdekten dat hun theorie het uiterlijk van de twee patronen in toepassing verklaarde, ook.

"Knijppunten en halve manen komen voort uit dezelfde onderliggende fysica - de ene van het respecteren van de lokale behoudswet en de andere van het schenden ervan, " zei Yan. "Als je ze samenvoegt, ze vormen een heel beeld van de algehele fenomenologie."

In de toekomst, de verenigde theorie van halve manen en knijppunten zou nuttig moeten blijken in zowel theoretische als toegepaste fysica, en misschien verder.

"Vanuit een bepaald gezichtspunt elk systeem van gecondenseerde materie is voor zichzelf een ander universum, " zei Yan. "Het is een grote intellectuele nieuwsgierigheid om deze universums te vinden, met hun eigen vreemde wetten van de natuur, maar het heeft ook betrekking op het dagelijks leven. Mensen proberen de bijzonder nuttige wetten in deze mini-universums te identificeren, zodat we ze in ons voordeel kunnen gebruiken."