Overgangsmetaalperovskietoxiden vertonen verschillende gewenste eigenschappen, inclusief supergeleiding bij hoge temperatuur en elektrokatalyse. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology onderzoeken de structuur en eigenschappen van een perovskietoxide, PbFeO ₃ , vooruitlopend op de ongebruikelijke ladingsverdeling en exotische magnetische overgangen die dergelijke systemen vertonen. Ze rapporteren twee van de magnetische overgangen, met een kenmerkende overgang boven kamertemperatuur en de oorzaken ervan onderzoeken, deuren openen naar mogelijke toepassingen bij het realiseren van nieuwe spintronische apparaten.

De komst van elektronica heeft een revolutie teweeggebracht in ons leven in een mate waarin het onmogelijk is voor te stellen dat we onze dag zouden doorbrengen zonder op een of andere manier op een elektronisch apparaat te vertrouwen. Wat nog opmerkelijker is, echter, is dat we deze apparaten nog verder kunnen verbeteren door gebruik te maken van de 'spin' van het elektron - een eigenschap die ervoor zorgt dat het elektron zich als een magneet gedraagt ​​- om geheugenapparaten te maken die sneller zijn en minder stroom verbruiken dan traditionele elektronica. Overeenkomstig, het gebied dat aan dit streven is gewijd, toepasselijk 'spintronica' genoemd, ' is gebaseerd op het benutten van de "spintoestand" van het elektron. Echter, het regelen van spin kan extreem lastig zijn, een feit dat wetenschappers er vaak toe aanzet om op zoek te gaan naar materialen met geordende spintoestanden.

Hun aandacht is onlangs verlegd naar op lood gebaseerde overgangsmetaalperovskietoxiden, een klasse van materialen vertegenwoordigd door PbMO ₃ (waar de M 3d overgangsmetaalion aangeeft), die nogal interessante faseovergangen vertonen in spintoestanden, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor praktische toepassingen.

In een recente studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een team van wetenschappers uit China, Japan, Taiwan, Zwitserland, Duitsland, Frankrijk, en wij., onderzocht het perovskietoxide PbMO ₃ , een compound dat tot nu toe aan de inspectie is ontsnapt, vanwege moeilijkheden bij het synthetiseren van monsters en het oplossen van de kristalstructuur. "De perovskietfamilie van PbMO3 vertoont complexe ladingsverdelingen en RFeO ₃ (R =zeldzame aarde) vertoont verschillende interessante spin-gerelateerde eigenschappen, zoals laser-geïnduceerde ultrasnelle spin heroriëntatie, dus we verwachten een vergelijkbare karakteristieke ladingsverdeling en rijke spin-toestandovergangen voor PbMO ₃ , " commentaar Prof. Masaki Azuma van Tokyo Institute of Technology, Japan en Prof. Youwen Long van de Chinese Academie van Wetenschappen, die de studie leidde.

Bijgevolg, het team onderzocht de structuur, laadtoestand, en magnetische eigenschappen van PbMO ₃ met behulp van een verscheidenheid aan karakteriseringstechnieken en ondersteunde hun waarneming met berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT).

Het team ontdekte dat PbMO ₃ gekristalliseerd tot een unieke "lading-geordende" toestand waarin een laag Pb2+-ionen werd verweven door twee lagen bestaande uit een mengsel van Pb ²⁺ en Pb ⁴⁺ ionen in een verhouding van 3:1, langs de richting van het stapelen van lagen. Bij het afkoelen van het monster van hoge temperatuur, het team observeerde twee verschillende magnetische fase-overgangen:een zwakke ferromagnetische overgang die optreedt bij 600 K (327 ° C) gekenmerkt door een 'gekantelde antiferromagnetische' spin-ordening (tegengesteld gerichte naburige spins), en een continue spin heroriëntatie (SR) overgang bij 418 K (145°C).

De SR-transitie, hoewel gebruikelijk in alle RFeO ₃ perovskieten, viel in dit geval op omdat het bij een veel hogere temperatuur plaatsvond in vergelijking met die voor andere perovskieten, en in tegenstelling tot de R-Fe magnetische interacties die gewoonlijk worden geïdentificeerd als de oorzaak van deze overgang, er was geen dergelijke tegenhanger in het geval van PbMO ₃ . Om het raadsel op te lossen, wetenschappers wendden zich tot DFT-berekeningen, waaruit bleek dat de unieke ladingsvolgorde in PbMO ₃ leidde tot de vorming van twee Fe ³⁺ subroosters met concurrerende energieën die, beurtelings, veroorzaakte de eigenaardige SR-overgang.

Het team is enthousiast over deze bevindingen en hun implicaties voor toekomstige toepassingen. "Ons werk biedt een nieuwe weg voor het bestuderen van de ladingsordeningsfase en onderscheidende SR-overgang met potentiële toepassingen in spintronische apparaten vanwege de hoge overgangstemperatuur en mogelijke afstemming, " merkt de theoretische teamleider op, Prof. Hena Das.

Eén ding is zeker:we zijn een stap dichter bij het maken van spintronica de realiteit van morgen.