Magnetisme ontstaat afhankelijk van hoe elektronen zich gedragen. De elementaire deeltjes kunnen bijvoorbeeld met hun lading een elektrische stroom opwekken en daardoor een magnetisch veld opwekken. Magnetisme kan echter ook ontstaan ​​door de collectieve uitlijning van de magnetische momenten (spins) in een materiaal. Wat tot nu toe echter niet mogelijk was, is het type magnetisme in een kristal voortdurend te veranderen.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van professor Andrej Pustogow van de TU Wien is daar nu in geslaagd:het magnetisme veranderen "door op een knop te drukken." Daarvoor veranderde het team voortdurend de magnetische interacties in een enkel kristal door druk uit te oefenen. De onderzoekers publiceerden hun resultaten onlangs in Physical Review Letters .

Mensen zijn al duizenden jaren gefascineerd door magnetisme en het heeft in de eerste plaats veel technische toepassingen mogelijk gemaakt. Van kompassen en elektromotoren tot generatoren:deze en andere apparaten zouden niet bestaan ​​zonder ferromagnetisme.

Hoewel ferromagnetisme al goed bestudeerd is, is fundamenteel onderzoek steeds meer geïnteresseerd in andere vormen van magnetisme. Deze zijn van bijzonder belang voor veilige gegevensopslag en als potentiële platforms voor kwantumcomputers. "Het zoeken naar nieuwe vormen van magnetisme en het volledig beheersen ervan is echter een uiterst moeilijke onderneming", zegt onderzoeksleider Andrej Pustogow.

Spins kunnen worden gevisualiseerd als kleine kompasnaalden die zichzelf kunnen uitlijnen in een extern magnetisch veld en zelf een magnetisch veld hebben. In het geval van ferromagnetisme, dat wordt gebruikt in permanente magneten, zijn alle elektronenspins parallel aan elkaar uitgelijnd. Bij sommige opstellingen van elektronenspins, bijvoorbeeld in gewone vierkante, schaakbordvormige kristalroosters, is ook een anti-parallelle uitlijning van de spins mogelijk:aangrenzende spins wijzen altijd afwisselend in tegengestelde richtingen.

Bij driehoekige roosters (of roosters waarin driehoekige structuren voorkomen, zoals het meer complexe kagome-rooster) is een volledig antiparallelle opstelling niet mogelijk:als twee hoeken van een driehoek tegengestelde draairichtingen hebben, moet de overblijvende zijde overeenkomen met een van de twee richtingen . Beide opties (spin up of spin down) zijn dan precies gelijkwaardig.

"Deze mogelijkheid van meerdere identieke alternatieven staat bekend als 'geometrische frustratie' en komt voor in kristalstructuren met elektronenspins gerangschikt in driehoekige, kagome- of honingraatroosters", legt de vaste-stoffysicus Pustogow uit. Als gevolg hiervan worden willekeurig gerangschikte spinparen gevormd, waarbij sommige spins helemaal geen partner vinden.

"De resterende ongepaarde magnetische momenten kunnen met elkaar verweven zijn, gemanipuleerd worden met externe magnetische velden en zo gebruikt worden voor gegevensopslag of computationele bewerkingen in kwantumcomputers", zegt Pustogow.

"In echte materialen zijn we nog steeds verre van een dergelijke staat van ideale frustratie. Allereerst moeten we in staat zijn om de symmetrie van het kristalrooster en dus de magnetische eigenschappen nauwkeurig te controleren", zegt Pustogow. Hoewel er al materialen met een sterke geometrische frustratie geproduceerd kunnen worden, is een continue verandering van zwakke naar sterke frustratie en vice versa nog niet mogelijk geweest, zeker niet in één en hetzelfde kristal.

Om het magnetisme in het onderzochte materiaal ‘met een druk op de knop’ te veranderen, zetten de onderzoekers het kristal onder druk. Uitgaande van een kagome-structuur werd het kristalrooster vervormd door uniaxiale spanning, waardoor de magnetische interacties tussen de elektronen veranderden.

"We gebruiken mechanische druk om het systeem in een magnetische voorkeursrichting te dwingen. Zoals soms in het echte leven vermindert stress de frustratie omdat ons een beslissing wordt opgedrongen en we die niet zelf hoeven te nemen", zegt Pustogow.

Het team slaagde erin de temperatuur van de magnetische faseovergang met ruim 10% te verhogen. "Dit lijkt op het eerste gezicht misschien niet veel, maar als het vriespunt van water bijvoorbeeld met 10% zou worden verhoogd, zou het bevriezen bij 27°C – met ernstige gevolgen voor de wereld zoals wij die kennen", legt Pustogow uit.

Terwijl in het huidige geval de geometrische frustratie werd verminderd door mechanische druk, mikt het onderzoeksteam nu op een toename van de frustratie om antiferromagnetisme volledig te elimineren en een kwantumspinvloeistof te realiseren zoals hierboven beschreven. "De mogelijkheid om geometrische frustratie actief te beheersen door middel van uniaxiale mechanische spanning opent de deur naar ongekende manipulaties van materiaaleigenschappen 'door op een knop te drukken'", zegt Pustogow.

Meer informatie: Jierong Wang et al., Gecontroleerde frustratie-release op het Kagome-rooster door Uniaxial-Strain Tuning, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256501. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.08613

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

Aangeboden door de Technische Universiteit van Wenen