Wetenschap
Studie rapporteert succesvolle synthese van enkele kristallen van centimeters
Een spinvloeistof is een bijzondere toestand van materie die bij zeer lage temperaturen in bepaalde magnetische materialen ontstaat. Ondanks de naam heeft het niets te maken met vloeistoffen in de alledaagse zin van het woord. Normaal gesproken willen deze elektronenspins in een magneet in een bepaalde volgorde op één lijn staan.
Maar in een spinvloeistof raken de spins, vanwege de vreemdheid van de kwantummechanica, gefrustreerd en weigeren ze zich in een regelmatig patroon te vestigen, zelfs bij zeer lage temperaturen. De afwezigheid van klassieke ordeparameters maakt het lastig om met één enkele techniek te identificeren. De beschikbaarheid van grote enkele kristallen maakt gedetailleerde studies mogelijk, zoals magnetische anisotropie en magnetische excitaties die worden onderzocht door inelastische neutronenverstrooiing.
Onlangs verscheen een onderzoek in Materials Futures rapporteerde de succesvolle synthese van enkele centimeters grote kristallen van PrMgAl11 O19 , een nieuwe spin-vloeistofkandidaat gebaseerd op het driehoekige rooster.
In dit artikel gebruikten de auteurs de hogedruk optische zwevende zonetechniek om een hoogwaardige PrMgAl11 te produceren O19 eenkristal, dat isostructureel is ten opzichte van zijn zusterverbinding PrZnAl11 O19 dat is voorgesteld als een kandidaat voor Dirac-spinvloeistof.
De synthese van een enkel kristal maakt een gedetailleerde karakterisering van de structuur mogelijk met behulp van röntgendiffractiemetingen met één kristal. Een zorgvuldige verfijning onthult een aanwezigheid van ongeveer 7% wanorde op de Pr 3+ plaats. Dit is belangrijke informatie omdat het voor vergelijkbare verbindingen zoals YbMgGaO4 geldt drijft de locatiestoornis tussen Mg en Ga het systeem in een spin-glastoestand.
Wel magnetische en thermodynamische metingen op PrMgAl11 O19 duiden op de afwezigheid van een magnetische orde op lange afstand en spin-bevriezing tot wel 50 mK, zij het met een grote spin-spin-interactie, ~ -8 K.
De metingen van magnetisatie, kristalelektrisch veld (CEF) en elektronenspinresonantie (ESR) duiden verder op een Ising-anisotropie waarbij de momenten uit het driehoekige vlak wijzen. Terwijl het Heisenberg-model op het driehoekige rooster meestal leidt tot een magnetisch geordende toestand, kan het Ising-model resulteren in een macroscopisch gedegenereerde spin-vloeistoftoestand.
Dit is voorgesteld voor TmMgGaO4 en NdTa7 O19 bijvoorbeeld. De eerste vertoont echter een gedeeltelijke ordetoestand van minder dan 0,7 K, en een gebrek aan een groot enkel kristal voor de laatste belemmert verder onderzoek. Dus de beschikbaarheid van grote enkele kristallen voor PrMgAl11 O19 biedt een veelbelovende mogelijkheid om het driehoekige Ising-model diepgaand te onderzoeken
De afgelopen jaren heeft men zich gerealiseerd dat wanorde kan leiden tot exotische fasen, zoals spin-vloeistofachtige, willekeurige singlet-toestanden. Het begrijpen van de rol van wanorde is net zo uitdagend als het produceren van ideale kristallen. In dit onderzoek treedt wanorde op binnen het driehoekige magnetische subrooster, in tegenstelling tot YbMgGaO4 waar de wanorde zich op de niet-magnetische plaats bevindt.
Het vervangen van Pr door een ander zeldzaam aardelement kan resulteren in verschillende gradaties van wanorde op de magnetische plaats. Dit biedt een beheersbare manier om wanorde te manipuleren. Het vervangen van zeldzame aardionen zal ook het lokale spinkarakter veranderen, waardoor een nieuwe afstemmingsparameter voor magnetisme ontstaat.
Omdat er grote enkele kristallen en talloze chemische vervangingen beschikbaar zijn, is dit onderzoekstraject veelbelovend voor het ontdekken van materialen met diverse eigenschappen, zoals supergeleiding, opkomende kwantumfenomenen en exotische spintexturen.