Het identificeren van de magnetische structuur van een materiaal is een sleutel tot het ontsluiten van nieuwe functies en betere prestaties in elektronische apparaten. Echter, het oplossen van steeds complexere magnetische structuren vereist steeds geavanceerdere benaderingen.

Onderzoekers van het Center for Materials Crystallography aan de Universiteit van Aarhus, Denemarken, pionieren met een nieuwe techniek om zeer uitgebreide magnetische structuren op te lossen met behulp van neutronen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's). Hun doel is om de techniek te ontwikkelen - gebaseerd op wiskundige analyse van grote driedimensionale diffractiegegevens - om een ​​basislijnbenadering vast te stellen die kan worden aangepast aan een brede klasse van magnetische materialen met verschillende structuren.

"In magnetische materialen, veel van de atomen hebben een magnetisch moment, of een draai, dat werkt als een heel kleine magneet. In typische magneten, zoals koelkastmagneten, elk van hen is in dezelfde richting uitgelijnd en ze vormen samen een groter magnetisch moment - waardoor we dingen aan onze koelkast kunnen plakken. Dat is een voorbeeld van een geordende magnetische structuur, waarbij een bepaald patroon keer op keer wordt herhaald, ", zei Aarhus-onderzoeker Nikolaj Roth. "Maar we zijn meer geïnteresseerd in ongeordende systemen, of gefrustreerd magnetisme, waar geen magnetische orde op lange afstand is. Waar er geen vast patroon van spins is, die zich herhaalt. Hier gebeuren allerlei leuke dingen."

Hoewel "gefrustreerd" of ongeordend magnetisme willekeurig of zelfs chaotisch kan lijken, "het is niet, " legde Roth uit. Er zijn correlaties tussen de spins, al was het maar voor een korte afstand - bekend als magnetische orde op korte afstand. Als de dynamische eigenschappen van gefrustreerd magnetisme kunnen worden benut, deze materialen zouden kunnen worden gebruikt om nieuwe elektronica te ontwikkelen met enorm geavanceerde mogelijkheden. Dat, natuurlijk, hangt af van het vermogen om korteafstandscorrelaties in magnetische materialen sneller te identificeren, efficiënter, en op een veel bredere schaal.

"Een paar jaar geleden, we hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het analyseren van de gegevens waardoor deze korte-afstandscorrelaties heel gemakkelijk te zien zijn, " zei Roth.

In de vroege experimenten, het team heeft met succes de magnetische correlaties berekend in een bixbyite-monster - een mangaan-ijzeroxide-materiaal gevonden in Utah. In dit vervolgexperiment ze gebruikten bixbyiet uit Zuid-Afrika dat een andere verhouding mangaan tot ijzer heeft en daardoor een iets andere magnetische structuur heeft.

"We krijgen hulp van Moeder Natuur omdat we deze materialen niet hoeven te synthetiseren, ze worden gewoon in de grond gevonden, " zei onderzoeker Kristoffer Holm. "Het monster uit Utah is ongeveer 50:50 ijzer tot mangaan, terwijl die uit Zuid-Afrika meer op 70:30 lijkt. Het zijn zeer nauw verwante monsters, en we hopen dat ze ons kunnen vertellen hoe de verschillen in samenstelling hun korteafstandscorrelaties zullen beïnvloeden."

Neutronen zijn zeer geschikt om magnetisch gedrag te bestuderen omdat de deeltjes zelf fungeren als kleine magneten. Neutronen kunnen veel materialen dieper doordringen dan andere complementaire methoden; en omdat ze geen kosten hebben, ze interageren met monsters zonder het materiaal in gevaar te brengen of te beschadigen om kritische informatie over energie en materie op atomaire schaal te onthullen.

Zelf, puur ijzer en pure mangaan samenstellingen hebben structuren besteld bij lage temperaturen, waarbij hun spins zijn uitgelijnd in overeenstemming met een specifiek herhalend patroon. Maar als ze worden gecombineerd, ze worden ongeordend en vormen een "spin glass" -toestand onder 30 Kelvin (ongeveer min 400 ° Fahrenheit), waar een complex patroon van spin-uitlijningen vast komt te zitten.

Magnetische orde op korte afstand heeft een zwak signaal en is moeilijk te detecteren met conventionele neutronenverstrooiingsinstrumenten. Echter, de CORELLI-bundellijn bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) zorgt voor een hoge flux, of een groot aantal neutronen, met een detectorarray die grote hoeveelheden gegevens snel en in ongekend detail kan vastleggen. Met behulp van CORELLI, het team was in staat om de magnetische structuur van het Zuid-Afrikaanse bixbyite-monster te kwantificeren om vergelijkingen te maken tussen het en de atomaire structuur van het materiaal.

"CORELLI is het enige instrument ter wereld dat dit experiment zou kunnen uitvoeren zoals we het nodig hebben. Het stelt ons in staat om in alle richtingen te meten, zelfs bij hoge hoeken, en hij doet het heel snel dat is precies wat we nodig hebben voor de techniek die we ontwikkelen, ", zei onderzoeker Emil Klahn. "Zelfs als we het in een andere faciliteit zouden kunnen doen, het zou weken duren om te doen wat we in slechts een paar dagen hebben kunnen doen."

Het team zegt dat met een volledig ontwikkelde techniek, ze zullen soortgelijke materialen kunnen bestuderen die bizar en ongewoon gedrag of toestanden van materie vertonen; kandidaatmaterialen zijn onder meer kwantumspinvloeistoffen, draai ijs, en onconventionele supergeleiders. Beurtelings, die inzichten kunnen leiden tot een breed scala aan radicaal geavanceerde elektronische toepassingen.