Een gezamenlijke onderzoeksgroep van de Universiteit van Osaka en de Universiteit van Tokio ontdekte het mechanisme van de glasovergang die elektronen kunnen ervaren in pyrochlooroxidekristallen. De onderzoekers laten zien dat vervormingen in het atoomrooster ervoor zorgen dat twee soorten rotatievrijheidsgraden van spins gekoppeld worden en een glasachtige toestand vormen bij exact dezelfde temperatuur. Dit werk zal licht werpen op ons begrip van het mechanisme van glasovergangen, wat een van de meest fundamentele onopgeloste problemen in de natuurkunde is.

Pyrochlooroxiden zijn mineralen met de chemische formule A ₂ B ₂ O ₇ , waarbij A meestal een zeldzame-aarde-ion is en B een overgangsmetaal is, in dit geval molybdeen. De metaalionen in het kristal vormen tetraëders die hoeken delen. De elektronen in de ionen zijn in wezen gebonden aan de kern, maar ze kunnen nog steeds rond de kern draaien en rond zichzelf draaien. In zekere zin, dit is vergelijkbaar met bewegingen van planeten in het zonnestelsel:planeten draaien om de zon terwijl ze ook om zichzelf draaien.

Wetenschappers ontdekten dat de banen en spins van de elektronen op verschillende hoeken van de tetraëders op een complexe manier met elkaar in wisselwerking staan. Sommige paren spins willen hun spin-assen parallel uitlijnen, maar andere willen anti-parallel uitlijnen. Helaas, er is geen manier om deze allemaal tegelijk te ontmoeten, dus wetenschappers zeggen dat de spins 'gefrustreerd' zijn. Het resultaat is veel equivalente configuraties en de spins blijven steken in verschillende richtingen, zelfs bij lage temperaturen. Dit staat bekend als een spin-glas, omdat het een zeer vergelijkbare dynamiek heeft als het afkoelen van gesmolten glas tot vaste toestand. Dat is, het glas dat we gewend zijn in onze ramen en bekers bevindt zich in een tussentoestand tussen vast en vloeibaar. De moleculen zijn op hun plaats gefixeerd, als een vaste stof - omdat ze niet genoeg energie hebben om te bewegen - maar ze zijn gerangschikt zonder orde op lange afstand, enigszins als een "bevroren vloeistof."

"Hoewel bekend is dat sommige systemen dergelijk gedrag vertonen vanwege extrinsieke willekeur, genaamd 'uitgebluste stoornis, " we hebben aangetoond dat dit niet nodig is om de glazigheid van het pyrochloorsysteem te begrijpen, ", zegt eerste auteur Kota Mitsumoto.

Hoewel de natuur vaak de voorkeur geeft aan symmetrische vormen, er zijn gevallen waarin tetraëdrische kristallen stabieler zijn wanneer de ene kant langwerpig is en de andere samengedrukt, in een proces dat de Jahn-Teller-vervorming wordt genoemd. De onderzoekers ontdekten dat deze verandering de spin- en orbitale vrijheidsgraden koppelde, waardoor ze glasovergangen ondergaan bij dezelfde kritische temperatuur. "We waren blij dat we konden helpen bij het oplossen van een al lang bestaande puzzel over de oorsprong van het wanordevrije spinglas, ", voegt senior auteur Hajime Yoshino toe.

Het team gebruikte computersimulaties samen met theoretische berekeningen om aan te tonen dat, bij deze kritische temperatuur, de niet-lineaire respons op externe magnetische velden wordt erg groot, zoals verwacht voor een glasovergang.

"Wij hebben gedemonstreerd, Voor de eerste keer, hoe een thermodynamische glasovergang kan plaatsvinden op een periodiek rooster zonder gedoofde willekeur, " zegt Mitsumoto. "We hopen dat onze bevindingen het begrip van de glasovergang in het algemeen kunnen verbeteren."