Изследователите променят магнитното поведение на екзотични материали

Хората не са единствените, които понякога са разочаровани. Някои кристали също показват разочарования. Те правят това винаги, когато техните елементарни магнити, магнитните завъртания, не могат да се подравнят правилно. Цезиевият меден хлорид (Cs2CuCl4) - или накратко CCC - е отличен пример за разочаровани материали. В този кристал магнитните медни атоми се намират върху триъгълна решетка и се стремят да се подредят антипаралелно един към друг. В триъгълник обаче това не работи. Тази геометрична фрустрация предизвиква физиците. В крайна сметка обещава откриването на нови магнитни явления, които в бъдеще дори могат да се използват за квантови компютри. За да проучат по-добре и да разберат основните основи, физиците от Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) в Германия, подкрепени от японски и американски колеги, вече могат да контролират магнитната връзка чрез елегантен метод за измерване.

високо

„Нашата цел е да изясним подробно сложните квантови процеси в геометрично фрустрирани кристали“, обяснява д-р Сергей Звягин от Дрезденската лаборатория за високо магнитно поле към HZDR. Теориите за магнитното поведение на кристали като CCC изобилстват. Но досега липсваха сложни експерименти за тестване на тези теории върху самия обект. За тази цел е полезно умишлено да се променя силата на взаимодействията между магнитните атоми.

Физиците в много лаборатории често поемат досаден път: те произвеждат кристали с геометрични смущения в малко по-различен химичен състав. Това променя магнитното взаимодействие между елементарните магнити, но понякога също - неволно - кристалната структура. Звягин напусна този трудоемък, чисто химически път към по-дълбоко познание. Вместо това той използва висок натиск. При тези условия силата на свързването на магнитните завъртания може да се променя почти непрекъснато.

„С новия метод можем да контролираме параметрите на свързване в кристала и едновременно да измерваме ефектите върху магнитните свойства“, казва Сергей Звягин. Той получи кристали CCC за своите експерименти от групата на д-р Хидекаду Танака от Токийския технологичен институт. С дължина на ръба само няколко милиметра и блестящата им оранжева полупрозрачност, те напомнят повече на ярки скъпоценни камъни от гранат, отколкото на изкуствени кристали, отглеждани в лабораторията.

Също в Япония, в университета Тохоку в Сендай, Звягин и колегите му поставят кристалите в преса под високо налягане с бутала, изработени от циркониев оксид с висока якост. Изследователите постепенно увеличават налягането до около два гигапаскала - натиск, подобен на този, упражняван от теглото на автомобил върху повърхност с размер на цветно олово.

„Под този натиск разстоянията между атомите се променят много малко“, казва Звягин. "Но магнитните свойства на кристала показаха драстична промяна." Изследователите успяха да измерват тези промени директно с помощта на електронен спинов резонанс (ESR). Те определиха пропускливостта на светлината (или по-точно: микровълните) в много силно външно магнитно поле до 25 Тесла - около половин милион пъти по-силно от магнитното поле на Земята. В допълнение, кристалът трябваше да бъде дълбоко замразен до -271 градуса по Целзий, почти до абсолютна нула, за да се избегнат смущаващи ефекти, причинени от топлина.

Тези измервания в силно външно магнитно поле разкриха много необичайните магнитни свойства на материала. Изследователите успяха да променят силата на свързването между съседните магнитни въртения чрез промяна на налягането. Допълнителни измервания, използващи допълнителен метод от изследване на материалите - техниката на тунелния диоден осцилатор (TDO) - допълниха тези резултати. Измерванията на TDO бяха извършени - също при високи налягания и при силни магнитни полета - в Университета на Флорида в Талахаси.

Освен това Звягин и колегите му откриха доказателства, че CCC под високо налягане показва каскада от нови фази с нарастващо магнитно поле, отсъстващи при нулево налягане. „Благодарение на тези измервания сега сме стъпка по-далеч към по-доброто разбиране на разнообразието от тези фази“, казва професор Йоахим Восница, ръководител на Дрезденската лаборатория за високо магнитно поле.

„Точната идентификация на тези фази е една от следващите ни цели“, казва Звягин. В бъдеще той възнамерява да определи точните структури на своите CCC кристали посредством неутронно разсейване. За тези планове той оценява отличните условия за научни изследвания, предлагани от HZDR с нейната тясна международна мрежа. „За мен това е идеалното място за интереса ми към фундаменталните изследвания“, казва физикът. "И ако разберем квантовите процеси в тези кристали с разстроена геометрия, могат да се появят и приложения."

Йоахим Восница също вижда голям потенциал в екзотичните магнитни свойства на тези кристали. „Човек може да си представи дълготрайни квантови системи, в които магнитните спинове могат да се използват контролирано“, казва Восница. „Дали това обаче ще доведе до квантов компютър или специален сензор, все още не може да се очаква.“ Пътят към такива приложения все още може да бъде много дълъг. Но с успешните си измервания изследователите на HZDR нямат причина да бъдат разочаровани - за разлика от техните кристални проби.