Het patroon van rangschikking van atomen in een kristal, het kristalrooster genoemd, kan een enorm effect hebben op de eigenschappen van vaste materialen. Het beheersen en benutten van deze eigenschappen is een uitdaging die beloningen belooft in toepassingen zoals nieuwe sensoren en nieuwe solid-state apparaten. Een internationale onderzoekssamenwerking, waaronder onderzoekers van de Universiteit van Osaka, heeft de inductie van een interessant type magnetische orde gemeld, helimagnetisme genoemd, in een kobaltoxidemateriaal door zijn roosterstructuur uit te zetten. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Physical Review Materials.

Magnetisch gedrag is het resultaat van de volgorde van de magnetische momenten van de vele individuele atomen in een materiaal. In helimagnetisme, in plaats van dat de magnetische momenten worden uitgelijnd - zoals bij permanente magneten, ferromagnetisme produceren - de momenten rangschikken zichzelf in een spiraalvormig patroon. Dit gedrag wordt over het algemeen alleen waargenomen in gecompliceerde roosterstructuren waar verschillende soorten magnetische interacties met elkaar concurreren, daarom het rapport van geïnduceerd helimagnetisme in een eenvoudige kobaltoxidestructuur, is van groot belang.

"We hebben een opkomende spiraalvormige spinvolgorde aangetoond in een kubisch perovskiet-achtig materiaal, wat we bereikten door simpelweg de roostergrootte uit te breiden, " studie eerste auteur Hideaki Sakai zegt. "We waren in staat om de grootte van de roosteruitbreiding te regelen door een hogedruktechniek te gebruiken om een ​​reeks eenkristallen met bepaalde chemische samenstellingen te laten groeien. Het veranderen van de hoeveelheid verschillende ionen in onze materialen gaf ons voldoende controle om de magnetische eigenschappen te onderzoeken."

Het systematisch vervangen van strontiumionen in de structuur door grotere bariumionen zorgde ervoor dat het rooster voortdurend uitzette totdat de reguliere ferromagnetische magnetische orde die aanwezig was bij kamertemperatuur werd verstoord, resulterend in helimagnetisme. Deze experimentele bevindingen werden met succes ondersteund door berekeningen.

"Het feit dat we onze bevindingen grotendeels konden reproduceren door middel van eerste-principes-berekeningen, bevestigt dat de magnetische interacties in de materialen zeer gevoelig zijn voor de roosterconstante, Sakai zegt. "Hoe meer we kunnen begrijpen over het magnetische gedrag van kristallijne materialen, hoe dichter we bij het vertalen van hun eigenschappen in nuttige functies komen. We hopen dat onze bevindingen de weg vrijmaken voor nieuwe sensortoepassingen."

De controle van magnetische orde eenvoudig door de roosterchemie te veranderen, zoals blijkt uit dit onderzoek, biedt een basis voor het onderzoeken van de eigenschappen van veel andere kristallijne materialen.