Mensen zijn niet de enigen die af en toe gefrustreerd zijn. Sommige kristallen tonen ook frustraties. Dat doen ze wanneer hun elementaire magneten, de magnetische spins, kan niet goed worden uitgelijnd. Cesiumkoperchloride (Cs ₂ CuCl ₄ ) - of kortweg CCC - is een goed voorbeeld van gefrustreerde materialen. In dit kristal, de magnetische koperatomen bevinden zich op een driehoekig rooster en proberen zichzelf antiparallel aan elkaar uit te lijnen. In een driehoek, dit werkt niet, echter. Deze geometrische frustratie daagt natuurkundigen uit. Ten slotte, het belooft de ontdekking van nieuwe magnetische fenomenen die in de toekomst zelfs voor kwantumcomputers kunnen worden gebruikt. Om de onderliggende basisprincipes beter te onderzoeken en te begrijpen, natuurkundigen van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Duitsland, ondersteund door Japanse en Amerikaanse collega's, kan nu de magnetische koppeling aansturen met een elegante meetmethode.

"Ons doel is om de complexe kwantumprocessen in geometrisch gefrustreerde kristallen in detail op te helderen, " legt Dr. Sergei Zvyagin van het Dresden High Magnetic Field Laboratory van de HZDR uit. Theorieën over het magnetische gedrag van kristallen zoals CCC zijn er in overvloed. Maar tot nu toe, geavanceerde experimenten om deze theorieën op het object zelf te testen, ontbraken. Hiertoe, het is nuttig om opzettelijk de sterkte van de interacties tussen de magnetische atomen te veranderen.

Natuurkundigen in veel laboratoria nemen vaak een omslachtige route:ze produceren kristallen met geometrische frustratie in een iets andere chemische samenstelling. Dit verandert de magnetische interactie tussen de elementaire magneten, maar soms ook – onbedoeld – de kristalstructuur. Zvyagin verliet deze moeizame, puur chemische weg naar diepere kennis. In plaats daarvan, hij gebruikte hoge druk. Onder deze voorwaarden, de sterkte van de koppeling van de magnetische spins kan quasi-continu worden gewijzigd.

“Met de nieuwe methode we kunnen de koppelingsparameters binnen het kristal regelen en tegelijkertijd de effecten op de magnetische eigenschappen meten, ", zegt Sergei Zvyagin. Hij ontving de CCC-kristallen voor zijn experimenten van de groep van Dr. Hidekazu Tanaka aan het Tokyo Institute of Technology. Met een randlengte van slechts enkele millimeters en hun glinsterende oranje doorschijnendheid, ze doen meer denken aan heldere granaat edelstenen dan aan kunstmatige kristallen die in het laboratorium zijn gekweekt.

Ook in Japan, aan de Tohoku-universiteit in Sendai, Zvyagin en zijn collega's plaatsten de kristallen in een hogedrukpers met zuigers gemaakt van zeer sterk zirkoniumoxide. De onderzoekers verhoogden de druk geleidelijk tot ongeveer twee gigapascal - een druk die vergelijkbaar is met die van het gewicht van een auto op een oppervlak ter grootte van een kleurpotlood.

"Onder deze druk de afstanden tussen de atomen veranderden heel weinig, "zegt Zvyagin. "Maar de magnetische eigenschappen van het kristal vertoonden een drastische verandering." De onderzoekers konden deze veranderingen direct meten met behulp van elektronenspinresonantie (ESR). Ze bepaalden de transmissie voor licht (of preciezer, microgolven) in een zeer sterk extern magnetisch veld tot 25 Tesla – ongeveer een half miljoen keer sterker dan het aardmagnetisch veld. In aanvulling, het kristal moest diepgevroren worden tot -271 graden Celsius, bijna tot het absolute nulpunt, om storende effecten door hitte te vermijden.

Deze metingen in een sterk extern magnetisch veld onthulden de zeer ongebruikelijke magnetische eigenschappen van het materiaal. De onderzoekers konden de sterkte van de koppeling tussen naburige magnetische spins variëren door de druk te veranderen. Verdere metingen met een aanvullende methode uit materiaalonderzoek - de tunneldiode-oscillator (TDO) -techniek - vulden deze resultaten aan. De TDO-metingen zijn uitgevoerd - ook onder hoge druk en in sterke magnetische velden - aan de Florida State University in Tallahassee.

In aanvulling, Zvyagin en zijn collega's hebben bewijs gevonden dat CCC onder hoge druk een cascade van nieuwe fasen vertoont met een toenemend magnetisch veld, afwezig bij nuldruk. "Dankzij deze metingen we zijn nu een stap verder in de richting van een beter begrip van de verscheidenheid van deze fasen, " zegt professor Joachim Wosnitza, hoofd van het Dresden High Magnetic Field Laboratory.

"De exacte identificatie van deze fasen is een van onze volgende doelen, " zegt Zvyagin. In de toekomst, hij wil de exacte structuur van zijn CCC-kristallen bepalen door middel van neutronenverstrooiing. Voor deze plannen hij waardeert de uitstekende onderzoeksvoorwaarden die de HZDR biedt met zijn hechte internationale netwerk. "Voor mij, het is een ideale plek voor mijn interesse in fundamenteel onderzoek, "zegt de natuurkundige. "En als we de kwantumprocessen in deze kristallen begrijpen met gefrustreerde geometrie, Er kunnen ook toepassingen ontstaan."

Joachim Wosnitza ziet ook veel potentie in de exotische magnetische eigenschappen van deze kristallen. "Je zou je langlevende kwantumsystemen kunnen voorstellen waarin de magnetische spins op een gecontroleerde manier kunnen worden gebruikt, Of dit dan tot een kwantumcomputer of een speciale sensor zal leiden, is nog niet te voorspellen, zegt Wosnitza. echter." De weg naar dergelijke toepassingen kan nog erg lang zijn. Maar met hun succesvolle metingen, de HZDR-onderzoekers hebben geen reden om gefrustreerd te zijn - in tegenstelling tot hun kristalmonsters.