Materiaalwetenschappers van Duke University hebben het eerste duidelijke voorbeeld laten zien dat de overgang van een materiaal in een magneet instabiliteiten in de kristallijne structuur kan beheersen die ervoor zorgen dat het verandert van een geleider in een isolator.

Als onderzoekers kunnen leren om dit unieke verband tussen fysische eigenschappen geïdentificeerd in hexagonaal ijzersulfide te beheersen, het zou nieuwe technologieën mogelijk kunnen maken, zoals spintronic computing. De resultaten verschijnen op 13 april in het tijdschrift Natuurfysica .

Algemeen bekend als troilite, hexagonaal ijzersulfide kan van nature op aarde worden gevonden, maar komt meer voor in meteorieten, vooral die afkomstig van de maan en Mars. Zelden aangetroffen in de aardkorst, de meeste troilite op aarde wordt verondersteld afkomstig te zijn uit de ruimte.

Ondanks zijn relatieve zeldzaamheid, troilite wordt sinds 1862 zonder veel tamtam bestudeerd. Een recent theoretisch artikel, echter, suggereerde dat er nieuwe fysica in het spel zou kunnen zijn tussen de temperaturen van 289 en 602 graden Fahrenheit - het temperatuurbereik waarbij troilite zowel magnetisch als een isolator wordt.

"Het papier theoretiseerde dat de manier waarop de atomen in hun kristallijne structuur verschuiven, de eigenschappen van het mineraal beïnvloedt door een behoorlijk gecompliceerd effect dat nog niet eerder is gezien, " zei Olivier Delaire, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde, natuurkunde en scheikunde bij Duke. "Het belangrijkste aspect is deze interactie tussen magnetische eigenschappen en atomaire dynamica, dat is een onderwerp dat nog niet veel eerder is onderzocht, maar het opent nieuwe mogelijkheden in computertechnologieën."

Om tot de kern van het vreemde gedrag van het materiaal te komen, Delaire en zijn collega's wendden zich tot Haidong Zhou, assistent-professor experimentele fysica van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Tennessee, voor de moeilijke taak om perfecte troilitekristallen te kweken. De onderzoekers namen vervolgens monsters naar Oak Ridge National Laboratory en Argonne National Laboratory om ze te beschieten met neutronen en röntgenstralen, respectievelijk.

Wanneer deeltjes zoals neutronen of röntgenstralen weerkaatsen op de atomen in een materiaal, onderzoekers kunnen deze verstrooiingsinformatie gebruiken om de atomaire structuur en dynamiek ervan te reconstrueren. Omdat neutronen hun eigen interne magnetische moment hebben, ze kunnen ook de richting van de magnetische spin van elk atoom onthullen. Maar omdat neutronen zwak interageren met atomen, Röntgenstralen zijn ook erg handig voor het oplossen van de atomaire structuur van een materiaal en atomaire trillingen in kleine kristallen. De onderzoekers vergeleken de resultaten van de twee verschillende scans met behulp van kwantummechanische modellen die waren gemaakt op een supercomputer in het Lawrence Berkeley National Laboratory om er zeker van te zijn dat ze begrepen wat er aan de hand was.

Na het bekijken van de veranderingen die optreden door de fasetransformaties van troilite, de onderzoekers ontdekten voorheen onzichtbare mechanismen aan het werk. Bij hoge temperaturen, de magnetische spins van troilite-atomen wijzen in willekeurige richtingen, waardoor het materiaal niet-magnetisch wordt. Maar zodra de temperatuur onder de 602 graden Fahrenheit zakt, de magnetische momenten komen van nature op één lijn en een magneet is geboren.

De uitlijning van die magnetische spins verschuift de trillingsdynamiek van de atomen. Die verschuiving zorgt ervoor dat de hele kristallijne atomaire structuur enigszins vervormt, wat op zijn beurt een bandgap creëert waar elektronen niet overheen kunnen springen. Hierdoor verliest de troilite zijn vermogen om elektriciteit te geleiden.

"Dit is het eerste duidelijke voorbeeld dat de uitlijning van magnetische spins de instabiliteit van de kristalstructuur van een materiaal kan beheersen, "zei Delaire. "En omdat deze instabiliteiten leiden tot een verband tussen de magnetische en geleidende eigenschappen van het kristal, dit is het soort materiaal dat opwindend is als het gaat om het mogelijk maken van nieuwe soorten apparaten."

Het vermogen om de magnetische toestand van een materiaal af te stemmen door elektrische stromen toe te passen, en vice versa, essentieel zou zijn voor de realisatie van technologieën zoals spin-elektronica, zei Delaire. Afgekort bekend als spintronica, dit opkomende veld probeert de intrinsieke spin van een elektron en het bijbehorende magnetische moment te gebruiken om gegevens op te slaan en te manipuleren. Gecombineerd met de traditionele rol van een elektron in de informatica, hierdoor zouden computerprocessors dichter en efficiënter kunnen worden.

Via dit blad, Delaire en zijn collega's hebben de magnetische controles van de vervormingsmechanismen van de kristalstructuur geïdentificeerd, onderzoekers een handvat geven om de een met de ander te manipuleren. Terwijl dat handvat momenteel gebaseerd is op temperatuurveranderingen, de volgende stap voor onderzoekers is om te kijken naar het toepassen van externe magnetische velden om te zien hoe ze de atomaire dynamiek van het materiaal kunnen beïnvloeden.

Of troilite nu wel of niet het nieuwe silicium wordt voor de volgende generatie computertechnologie, Delaire zegt dat het vinden van dit unieke mechanisme in zo'n bekend materiaal een goede les is voor het hele veld.

"Het is verbazingwekkend dat, ook al heb je een verbinding die relatief eenvoudig is, je kunt dit fraaie mechanisme hebben dat nieuwe technologieën mogelijk maakt, " zei Delaire. "In zekere zin, het is een wake-up call dat we enkele van de eenvoudigere materialen moeten heroverwegen om elders naar vergelijkbare effecten te zoeken."