Quasikristallen zijn intermetallische materialen die veel aandacht hebben gekregen van onderzoekers die het inzicht in de fysica van de gecondenseerde materie willen bevorderen. In tegenstelling tot normale kristallen, waarin atomen in een geordend herhalend patroon zijn gerangschikt, hebben quasi-kristallen niet-herhalende geordende atomenpatronen.

Hun unieke structuur leidt tot veel exotische en interessante eigenschappen, die vooral nuttig zijn voor praktische toepassingen in spintronica en magnetische koeling.

Een unieke quasi-kristalvariant, bekend als het icosahedrale quasi-kristal (iQC) van het Tsai-type, en hun kubieke benaderingskristallen (AC's), vertonen intrigerende kenmerken. Deze omvatten ferromagnetische (FM) en anti-ferromagnetische (AFM) orders over lange afstanden, evenals onconventionele kwantumkritische fenomenen, om er maar een paar te noemen.

Door nauwkeurige aanpassingen in de samenstelling kunnen deze materialen ook intrigerende kenmerken vertonen zoals veroudering, geheugen en verjonging, waardoor ze geschikt worden voor de ontwikkeling van magnetische opslagapparaten van de volgende generatie. Ondanks hun potentieel blijft het magnetische fasediagram van deze materialen echter grotendeels onontgonnen.

Om meer te ontdekken heeft een team van onderzoekers, onder leiding van professor Ryuji Tamura van de afdeling Materiaalwetenschappen en Technologie van de Tokyo University of Science (TUS), in samenwerking met onderzoekers van de Tohoku Universiteit, onlangs magnetisatie- en poederneutronendiffractie (PND)-experimenten uitgevoerd op de niet-Heisenberg Tsai-type 1/1 goud-gallium-terbium AC.

"Voor de eerste keer zijn de fasediagrammen van de niet-Heisenberg Tsai-type wisselstroom ontrafeld. Dit zal het toegepaste natuurkundige onderzoek naar magnetische koeling en spintronica een impuls geven", aldus professor Tamura.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Materials Today Physics .

Door middel van verschillende experimenten ontwikkelden de onderzoekers het eerste uitgebreide magnetische fasediagram van het niet-Heisenberg Tsai-type AC, dat een breed scala aan elektron-per-atoom (e/a) verhoudingen bestrijkt (een parameter die cruciaal is voor het begrijpen van de fundamentele aard van QC's ).

Bovendien onthulden metingen met behulp van poederneutronendiffractie (PND) de aanwezigheid van een niet-coplanaire wervelende AFM-orde met een e/a-verhouding van 1,72 en een niet-coplanaire wervelende FM-orde met een e/a-verhouding van 1,80.

Het team heeft de ferromagnetische en anti-ferromagnetische faseselectieregel van magnetische interacties verder opgehelderd door de relatieve oriëntatie van magnetische momenten tussen de dichtstbijzijnde buurlocaties en de volgende dichtstbijzijnde buurlocaties te analyseren.

Professor Tamura voegt eraan toe dat hun bevindingen nieuwe deuren openen voor de toekomst van de fysica van de gecondenseerde materie. "Deze resultaten bieden belangrijke inzichten in het ingewikkelde samenspel tussen magnetische interacties in niet-Heisenberg Tsai-type AC's. Ze leggen de basis voor het begrijpen van de intrigerende eigenschappen van niet alleen niet-Heisenberg AC's, maar ook niet-Heisenberg iQC's die nog moeten worden ontdekt ."

Samenvattend stuwt de doorbraak de fysica van de gecondenseerde materie en het onderzoek naar quasi-kristallen naar onbekende gebieden, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor geavanceerde elektronische apparaten en de volgende generatie koeltechnologieën.

Meer informatie: Farid Labib et al, Onthulling van een exotisch magnetisch fasediagram van een niet-Heisenberg quasi-kristalbenadering, Materials Today Physics (2023). DOI:10.1016/j.mtphys.2023.101321

Aangeboden door de Tokyo University of Science