Door neutronen af ​​te ketsen van de atomen van yttriummanganiet (YMnO ₃ ) verwarmd tot 3, 000 graden Fahrenheit, onderzoekers hebben de atomaire mechanismen ontdekt die het ongebruikelijke materiaal zijn zeldzame elektromagnetische eigenschappen geven. De ontdekking zou wetenschappers kunnen helpen bij het ontwikkelen van nieuwe materialen met vergelijkbare eigenschappen voor nieuwe computerapparatuur en micro-actuatoren.

Het experiment werd uitgevoerd als een samenwerking tussen Duke University en Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en verscheen online in Natuurcommunicatie op 2 januari 2018.

Ferromagnetisme is de wetenschappelijke term voor het fenomeen dat verantwoordelijk is voor permanente magneten zoals ijzer. Dergelijke materialen bestaan ​​omdat hun moleculaire structuur bestaat uit kleine magnetische vlekjes die allemaal in dezelfde richting wijzen. Elke pleister, of domein, zou een magnetisch dipoolmoment hebben, met een noord- en een zuidpool, die, opgeteld, produceren de magnetische velden die zo vaak worden gezien bij het werk op koelkastdeuren.

Ferro-elektriciteit is een vergelijkbare eigenschap, maar zeldzamer en moeilijker te conceptualiseren. Op vrijwel dezelfde manier als een permanente magneet, een ferro-elektrisch materiaal bestaat uit domeinen met elektrische dipoolmomenten die met elkaar zijn uitgelijnd. Dit produceert een natuurlijk voorkomend permanent elektrisch veld, als een verzameling microscopisch kleine ballonnen met een langdurige lading statische elektriciteit.

Yttriummanganiet is een van de weinige materialen die zowel de ferro-elektrische eigenschap als de magnetische ordening bij extreem lage temperaturen combineert. Deze zeldzame combinatie biedt de interessante mogelijkheid om de magnetische eigenschappen van het materiaal te regelen met elektriciteit en vice versa. Door dit vermogen te benutten, kunnen wetenschappers efficiëntere computers maken op basis van vier cijferstaten in plaats van alleen de enen en nullen van vandaag door zowel elektrische als magnetische toestanden om te draaien. evenals nieuwe soorten sensoren en energieomzetters.

"Deze zogenaamde multi-ferroïsche materialen zijn zeer zeldzaam, " zei Olivier Delaire, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde en natuurkunde aan Duke. "Maar als we de mechanismen kunnen begrijpen van wat er op atomair niveau gebeurt, we hebben een betere kans om meer materialen te ontwerpen en te ontdekken die nieuwe technologieën mogelijk maken."

Omdat het ferro-elektrische gedrag van yttriummanganiet pas boven 3000 graden Fahrenheit wordt uitgeschakeld, onderzoekers hebben nooit de atomaire trillingsgolven kunnen onderzoeken die de gewenste opstelling van microscopische elektrische dipolen opleveren. Hoewel de moleculaire onderbouwing van de ferro-elektrische eigenschappen van yttriummanganiet is getheoretiseerd, er zijn nooit directe metingen geweest om ze te bewijzen.

Om te bepalen hoe het onroerend goed tot stand komt, onderzoekers moeten de golfachtige trillingen van de stapeling van atomen in het materiaal onderzoeken, die oscilleren met frequenties van meer dan duizend miljard keer per seconde. Ze moeten dit ook zowel boven als onder de ferro-elektrische schakeltemperatuur van 3000 graden doen, dat is een lange opgave, op zijn zachtst gezegd. Maar dat is precies wat de onderzoekers deden.

"Het was een uitdaging om de atomaire oscillaties boven 3000 Fahrenheit te meten, " zei Dipanshu Bansal, een postdoctoraal wetenschapper in de Delaire-onderzoeksgroep bij Duke en de hoofdauteur van het onderzoek. "Het vereiste neutronenstralen met hoge intensiteit, speciale materialen op hoge temperatuur en een oven met gecontroleerde atmosfeer die het monster in de lucht verwarmt om ontleding van het monster te voorkomen, wat anders zou gebeuren in een meer standaard vacuümoven."

De experimenten omvatten het fotograferen van het extreem hete monster van yttriummanganiet met neutronen. Door te detecteren waar de neutronen terechtkwamen na een botsing met de atomen van het monster, de onderzoekers konden bepalen waar de atomen waren en hoe ze collectief oscilleerden. Er zijn maar weinig plaatsen in de wereld die zulke mogelijkheden hebben, en het Oak Ridge National Laboratory, een paar uur rijden van Duke, toevallig zowel de High-Flux Isotoop Reactor als de Spallation Neutronenbron herbergt, de krachtigste bron van neutronenstralen ter wereld.

De onderzoekers onderzochten het materiaal met behulp van neutronen bij verschillende energieën en golflengten, het geven van een algemeen beeld van zijn atomaire gedrag. Ze ontdekten dat boven de overgangstemperatuur, een bepaalde groep atomen kon vrij bewegen en trilden op een bepaalde manier samen. Maar toen het materiaal afkoelde en de fasen verschoof, die atomen bevroor in de permanente kristallijne rangschikking die verantwoordelijk is voor de ferro-elektrische eigenschappen.

En om de neutronenresultaten te bevestigen, de onderzoekers gebruikten ook de ultraheldere röntgenstralen bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory en voerden grootschalige kwantumsimulaties van atomair gedrag uit met de supercomputers van het National Energy Research Scientific Computing Center in het Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Dit materiaal werd nooit eerder op zo'n fijn atomistisch niveau begrepen, " zeiden Bansal en Delaire. "We hebben theorieën gehad over het belang van atomaire oscillaties, maar dit is de eerste keer dat we ze direct hebben bevestigd. Met onze experimentele resultaten kunnen onderzoekers theorieën verfijnen en betere modellen van deze materialen maken, zodat we in de toekomst nog betere kunnen ontwerpen."