Er is een vreemde eend in de bijt in de meeste gezinnen, maar Rice University-natuurkundige Emilia Morosan heeft een hele clan van excentrieke verbindingen ontdekt die zouden kunnen helpen de mysterieuze elektronische en magnetische werking van andere kwantummateriaalingenieurs te verklaren die op zoek zijn naar computers en elektronica van de volgende generatie.

Morosan en 30 co-auteurs beschrijven het eerste familielid - een "semimetalen Kondo-rooster" gemaakt van ytterbium, rhodium en silicium in een verhouding van 1 tot 3 tot 7 - in een onderzoek deze week in het tijdschrift American Physical Society Fysieke beoordeling X ( PRX ). Het artikel beschrijft twee eigenschappen van YbRh ₃ Si ₇ - "metamagnetisme" en "low-carrier Kondo"-effecten - die zelden eerder in hetzelfde materiaal zijn gemeten.

Morosaan, wiens lab gespecialiseerd is in het ontwerp, ontdekking en synthese van kwantummaterialen, creëerde de nieuwe familie van 1-3-7's met steun van de Gordon and Betty Moore Foundation's Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative (EPiQS). Ze zei dat er weinig 1-3-7's waren beschreven in de wetenschappelijke literatuur voorafgaand aan haar door Moore gefinancierde onderzoek. Van de verschillende verbindingen in de 1-3-7-familie die door haar groep zijn ontdekt, vier zijn magnetisch, drie zijn gebaseerd op ytterbium en "elk is verrassender dan de vorige, " ze zei.

"Eerst, dit geeft ons een kans om al deze te begrijpen, zelf, om ze vervolgens in relatie tot elkaar te begrijpen, " zei Morosan, die in 2014 werd benoemd tot Moore Foundation EPiQS Materials Synthesis Investigator. "Bijvoorbeeld, de structurele en chemische verschillen tussen deze zijn erg klein. De roosterparameters zijn bijna identiek. Je zou verwachten dat de fysieke veranderingen daarom minimaal zouden zijn in deze verwante verbindingen, maar we vinden dramatisch verschillende magnetische en transporteigenschappen. Als we kunnen begrijpen waarom dat in deze familie gebeurt, het zou ons in staat kunnen stellen om te zoeken naar verbindingen met de eigenschappen die we willen."

In YbRh ₃ Si ₇ en alle andere kristallen, atomen zijn op een geordende manier gerangschikt. Elk kristal heeft zijn eigen kenmerkende structurele patroon, of rooster. In kristallen met magnetische elementen zoals ijzer of ytterbium, de ordelijke rangschikking van atomen in een rooster gaat vaak hand in hand met magnetische orde.

Bijvoorbeeld, elk elektron werkt als een kleine draaiende staafmagneet, met een positieve en negatieve magnetische pool aan beide uiteinden van zijn spin-as. Het magnetische moment van het elektron verwijst naar de richting waarin de spin-as wijst, en in elementen zoals ijzer en ytterbium, die elk veel elektronen bevatten, atomen kunnen een sterk collectief magnetisch moment hebben. In ferromagneten - de materialen die aan talloze koelkasten en auto's vastzitten - wijzen deze magnetische momenten allemaal in één richting. Bij antiferromagneten, zoals YbRh ₃ Si ₇ , de helft van de momenten wijst de ene kant op en de andere helft de andere kant op.

Techbedrijven zijn steeds meer geïnteresseerd in het gebruik van spin in solid-state apparaten. Spintronica, een groeiende beweging, is toegewijd aan het creëren van op spin gebaseerde technologieën voor gegevensoverdracht, gegevensopslag en berekening, inclusief fundamenteel nieuwe soorten chips voor kwantumcomputers.

Voor degenen die nieuwe magnetische materialen bestuderen, zoals YbRh ₃ Si ₇ , een manier om de magnetische orde te onderzoeken is door de momenten over te halen om in een andere richting te wijzen als reactie op een extern magnetisch veld. Door de hoeveelheid veldenergie te meten die nodig is om de richting te veranderen waarnaar de magnetische momenten wijzen, natuurkundigen kunnen veel leren over de rol die het kristalrooster speelt in hoe de magnetische momenten zich uiten.

Bij de meeste materialen de magnetische momenten van atomen draaien geleidelijk in de richting van het externe veld naarmate de intensiteit toeneemt. Bij metmagneten, de krachten van het kristalveld oefenen zo'n aantrekkingskracht uit dat de momenten op hun plaats blijven, zelfs als een extern veld wordt toegepast. Maar wanneer de veldenergie een kritiek niveau bereikt, de momenten vallen allemaal onmiddellijk in een nieuw arrangement dat nauwer is afgestemd op het veld. Als de veldintensiteit voldoende wordt verhoogd, de momenten kunnen worden afgestemd op het veld, maar "alleen door deze progressie van stapsgewijze veranderingen die doen denken aan de trap van een duivel, ' zei Morosan.

De vondst van de metamagnetische overgangen was de eerste aanwijzing dat er iets vreemds aan het werk was in de kristallografische structuur van YbRh ₃ Si ₇ .

"Er zijn zeer weinig voorbeelden van metamagnetisme in op ytterbium gebaseerde verbindingen, " zei studie co-auteur Macy Stavinoha, een afgestudeerde student in de groep van Morosan. "Die overgang bracht ons ertoe te kijken naar de onderliggende magnetische structuur, wat best ingewikkeld was. We moesten een veelvoud aan technieken gebruiken om te bevestigen wat erbij betrokken was."

De achtjarige experimentele odyssee om de magnetische orde van het materiaal te ontcijferen werd geleid door voormalig Ph.D. student en co-auteur Binod Rai en inclusief uitstapjes naar het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, Maryland's National Institute of Standards and Technology, het Rutherford Appleton Laboratory van het Verenigd Koninkrijk, Florida's National High Magnetic Field Laboratory en Los Alamos National Laboratory in New Mexico.

Morosan zei dat de experimenten haar team hielpen de verwarrende concurrentie van krachten te ontcijferen - structurele, elektronisch en magnetisch - in het spel in YbRh ₃ Si ₇ .

"Er was niets eenvoudigs, in de zin dat je kon gaan zitten, kijk naar de gegevens van een experiment en vertel meteen wat er aan de hand was, " ze zei.

Bijvoorbeeld, experimenten toonden aan dat de metamagnetische overgangen in YbRh ₃ Si ₇ trad op bij lagere velden wanneer het magnetische veld loodrecht op de momentrichting van het nulveld wordt aangelegd. Dit in tegenstelling tot metamagnetische overgangen in bijna alle andere op ytterbium gebaseerde verbindingen, die optreden wanneer het aangelegde veld evenwijdig is aan de momentrichting. Morosan zei dat dit wijst op een delicaat evenwicht tussen de verschillende energieschalen in YbRh ₃ Si ₇ .

Een ander voorbeeld van concurrerende energieschalen in het materiaal is te zien in de verbeterde interactie tussen magnetische momenten en geleidingselektronen. Deze interactie, bekend als "Kondo-screening, " ontstaat wanneer dragerelektronen - de stromende deeltjes in elektrische stroom - interageren met magnetisch uitgelijnde elektronen in de ytterbium-atomen. Stavinoha zei dat het raadselachtig is omdat YbRh ₃ Si ₇ heeft een lagere dichtheid van dragerelektronen dan de meeste bekende Kondo-materialen.

"Je vindt zelden meerdere Kondo-systemen in één familie van isostructurele verbindingen, " zei Stavinoha. "In de 1-3-7 familie, we ontdekten drie van dergelijke Kondo-systemen met verschillende magnetische en elektronische eigenschappen. Die combinatie van structurele gelijkenis en ongelijke fysieke eigenschappen bieden een geweldige kans voor vergelijkende studies."