Wetenschap
Onderzoekers hebben met succes ultrafijne nanostaafjes van NiS gefabriceerd met gescheiden symmetrie langs twee richtingen
Kristalsymmetrie is een fundamenteel concept in de materiaalkunde en speelt een cruciale rol bij het bepalen van structuur-eigenschapsrelaties. Normaal gesproken is een kristal een vaste stof die bestaat uit structurele eenheden die zich periodiek herhalen in de driedimensionale ruimte, waardoor een systeem wordt gevormd dat zowel translatie- als rotatiesymmetrie vertoont.
Wanneer specifieke vormen van symmetrie binnen het systeem worden verstoord als gevolg van spontane processen of externe invloeden, ontstaan vaak nieuwe fysische verschijnselen en chemische eigenschappen. Uitgebreide inspanningen bij het ontwerpen en reguleren van atomaire configuraties in materialen zijn echter voornamelijk gericht op het manipuleren van geometrische vormen, chemische doping en lokale omgevingen; nieuwe soorten symmetrische materialen worden zelden gerapporteerd.
Om deze kloof aan te pakken heeft een onderzoeksteam bestaande uit professor Lin Guo van de Beihang Universiteit, professor Renchao Che van de Fudan Universiteit, professor Lin Gu van de Tsinghua Universiteit en professor Er-Jia Guo van het Institute of Physics, Chinese Academie van Wetenschappen, een rapport gerapporteerd NiS ultrafijne nanostaafje met een nieuwe symmetrieverdeling. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift National Science Review .
De atomaire opstelling van deze nanostaafje vertoont zowel radiale rotatiesymmetrie als axiale translatiesymmetrie. Dit is de eerste demonstratie van richtingsgerelateerde symmetriescheiding binnen een enkele nanostructuur, die verder gaat dan de traditionele beschrijvingen van materiaalstructuren in bekende driedimensionale ruimtegroepen en puntgroepen, en de conventionele definities van kristallografie overtreft.
Vanwege zijn unieke kristalstructuur vertoont de nanostaafje tegelijkertijd gecombineerde magnetische eigenschappen van gestreepte en vortex magnetische domeinen in verschillende richtingen. Gedetailleerde structurele karakterisering onthulde dat het dwarsdoorsnedeprofiel van NiS nanostaafjes duidelijk regelmatige atoompatronen met vijf ringen vertoont in plaats van traditionele periodieke roosters. Radiaal vertonen NiS-nanostaafjes rotatiesymmetrie, maar missen translatiesymmetrie.
Daarentegen vertonen de NiS-nanostaafjes, wanneer ze vanaf de zijkant worden bekeken, een regelmatige translationele periodiciteit. De aanwezigheid van alleen horizontale strepen en een ongeordende atomaire structuur op atomaire schaal geeft echter aan dat de radiale projectieperiodiciteit van de atomen verstoord is en dat de radiale symmetrie verstoord is.
Experimentele resultaten tonen aan dat NiS nanostaafjes pas traditionele kristalachtige rotatie- en translatiesymmetrie vertonen zodra ze een bepaalde diameter hebben bereikt.
Bovendien gebruikte het onderzoeksteam Lorentz-microscopie om de magnetische verdeling van NiS-nanostaafjes op nanoschaal te meten. De resultaten geven aan dat NiS nanostaafjes axiaal antiparallelle gestreepte magnetische domeinen en radiaal gerangschikte vortexdomeinen bezitten, wat suggereert dat de elektronenspin-opstelling de inherente atomaire opstelling volgt.
Langs de lange as produceert de geordende atomaire opstelling over lange afstand uitgelijnde spins en magnetische momenten, waardoor domeinmuren worden gevormd. In radiale richting beperkt de cirkelvormige rangschikking van atomen de consistentie van de uitlijning van de spins, waardoor de magnetische momenten een gesloten lus vormen.
Aan de korte kant demonstreert de waargenomen symmetriescheiding in NiS nanostaafjes de integratie van meerdere magnetische ordes, een fenomeen dat nog niet eerder is waargenomen in traditionele kristallen, quasi-kristallen en amorfe materialen. Deze intrinsieke magnetische configuratie, veroorzaakt door unieke kristalsymmetrie, biedt nieuwe materialen en ontwerpconcepten voor het ontdekken van nieuwe magnetische koppelingen en het bevorderen van niet-vluchtige magnetische opnamemedia met hoge dichtheid.