Muonspectroscopie is een belangrijke experimentele techniek die wetenschappers gebruiken om de magnetische eigenschappen van materialen te bestuderen. Het is gebaseerd op het "implanteren" van een spin-gepolariseerd muon in het kristal en het meten van hoe zijn gedrag wordt beïnvloed door de omgeving.

De techniek is gebaseerd op het idee dat het muon een goed geïdentificeerde locatie zal innemen die voornamelijk wordt bepaald door elektrostatische krachten, en die kan worden gevonden door de elektronische structuur van het materiaal te berekenen.

Maar uit een nieuwe studie onder leiding van wetenschappers uit Italië, Zwitserland, Groot-Brittannië en Duitsland is gebleken dat dit, althans voor sommige materialen, niet het einde van het verhaal is:de muonlocatie kan veranderen als gevolg van een bekend maar voorheen verwaarloosd effect:magnetostrictie.

Pietro Bonfà van de Universiteit van Parma, hoofdauteur van de studie gepubliceerd in Physical Review Letters , legt uit dat zijn groep en hun collega's aan de Universiteit van Oxford (VK) al minstens tien jaar simulaties van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) gebruiken om muonlocaties te vinden.

"We zijn begonnen met lastige gevallen, zoals europiumoxide en mangaanoxide, en in beide gevallen konden we geen redelijke manier vinden om DFT-voorspellingen en de experimenten met elkaar in overeenstemming te brengen", zegt hij.

"We hebben toen eenvoudigere systemen getest en we hadden veel succesvolle voorspellingen, maar die twee gevallen zaten ons echt dwars. Deze verbindingen zouden gemakkelijk moeten zijn, maar in plaats daarvan bleken ze super ingewikkeld en we begrepen niet wat er gebeurde. Mangaanoxide is een schoolvoorbeeld van een antiferromagnetisch systeem, en we konden de resultaten van de muonspectroscopie er niet voor verklaren, wat een beetje gênant was."

Het probleem, legt hij uit, was de tegenstrijdigheid tussen de verwachting het muon in een hoge symmetriepositie aan te treffen, en zijn bekende neiging om bindingen aan te gaan met zuurstofatomen. De antiferromagnetische orde van het materiaal vermindert de symmetrie en de positie dicht bij de zuurstofatomen wordt onverenigbaar met experimenten.

Bonfà vermoedde dat de verklaring in verband kon worden gebracht met het materiaal dat een magnetische faseovergang onderging en begon het fenomeen te reproduceren in simulaties van mangaanoxide.

"Omdat het een ingewikkeld systeem is, moet je enkele correcties aan DFT toevoegen, zoals de Hubbard U-parameter", zei hij. "Maar we kozen empirisch voor de waarde ervan, en als je dat doet, heb je veel onzekerheid, en de resultaten kunnen dramatisch veranderen, afhankelijk van de waarde die je kiest."

Toch suggereerden de initiële simulaties van Bonfà dat de posities van de muonen zouden kunnen worden bepaald door magnetostrictie, een fenomeen dat ervoor zorgt dat een materiaal tijdens magnetisatie van vorm en afmetingen verandert. Om dit zonder enige twijfel te bewijzen, werkte hij samen met de MARVEL-laboratoria van EPFL en PSI van Nicola Marzari en Giovanni Pizzi.

"We gebruikten een ultramoderne methode genaamd DFT+U+V, die erg belangrijk was om simulaties nauwkeuriger te maken", legt Iurii Timrov uit, een wetenschapper in het Laboratorium voor Materiaalsimulaties bij PSI en co-auteur van de studeren.

Deze methode kan worden gebruikt met onsite U en intersite V Hubbard-parameters die worden berekend op basis van de eerste principes in plaats van empirisch te worden gekozen, dankzij het gebruik van dichtheidsfunctionele perturbatietheorie voor DFT+U+V die binnen MARVEL is ontwikkeld en geïmplementeerd in de Quantum ESPRESSO-pakket.

"Hoewel we er al achter waren gekomen dat magnetostrictie een rol speelde, was het beschikken over de juiste informatie over de bouwstenen van de simulatie erg belangrijk, en dat kwam voort uit het werk van Iurii", voegt Bonfà toe.

Uiteindelijk was de oplossing van de puzzel relatief eenvoudig:magnetostrictie, het samenspel tussen magnetische en elastische vrijheidsgraden in het materiaal, veroorzaakt een magnetische faseovergang in MnO bij 118K, waarbij de muon-site verandert. Boven die temperatuur raakt het muon gedelokaliseerd rond een netwerk van gelijkwaardige locaties, wat het ongebruikelijke gedrag verklaart dat is waargenomen bij experimenten bij hoge temperaturen.

De wetenschappers verwachten dat hetzelfde ook voor veel andere met steenzout gestructureerde magnetische oxiden kan gelden.

In de toekomst, legt Timrov uit, wil de groep hetzelfde materiaal blijven bestuderen, inclusief temperatuureffecten, met behulp van een andere geavanceerde techniek die is ontwikkeld in MARVEL en die stochastische zelfconsistente harmonische benadering wordt genoemd.

Bovendien zal deze aanpak, in samenwerking met de groep van Giovanni Pizzi aan het Paul Scherrer Instituut, via de AiiDAlab-interface beschikbaar worden gesteld aan de gemeenschap, zodat alle experimentatoren deze voor hun eigen studies kunnen gebruiken.

Meer informatie: Pietro Bonfà et al, Magnetostrictie-aangedreven muon-lokalisatie in een antiferromagnetisch oxide, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.046701

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door het National Center of Competence in Research (NCCR) MARVEL