Kvasikrystaller (QC’er) er fascinerende fascinerende fascinerende materialer, der udviser et spændende atomarrangement. I modsætning til almindelige krystaller, hvor atomarrangementer har et ordnet gentagne mønster, viser QCS langtrækkende atomorden, der ikke er periodisk. På grund af denne ‘kvasiperiodiske’ natur har QC’er ukonventionelle symmetrier, der er fraværende i konventionelle krystaller.
Siden deres Nobelprisvindende opdagelse har kondenseret stoffysikforskere dedikeret enorm opmærksomhed over for QC’er og forsøgt at både realisere deres unikke kvasiperiodiske magnetiske orden og deres mulige anvendelser inden for spintronik og magnetisk køling.
Ferromagnetisme blev for nylig opdaget i den guld-gallium-sjældne jord (AU-GA-R) ICOSAhedral QCS (IQCS). Alligevel blev forskere ikke overrasket over denne observation, fordi translationel periodicitet – det gentagne arrangement af atomer i en krystal – ikke er en forudsætning for fremkomsten af ferromagnetisk orden.
I modsætning hertil er den anden grundlæggende type magnetisk orden, der findes i naturen, antiferromagnetisme, iboende mere følsom over for krystalsymmetri.
Selvom teoretikere længe har forventet etablering af antiferromagnetisme i udvalgte QC’er, er den endnu ikke blevet observeret direkte. Eksperimentelt udviser de fleste magnetiske IQC’er spin-glaslignende frysningsadfærd uden tegn på langtrækkende magnetisk orden, hvilket får forskere til at stille spørgsmålstegn ved, om antiferromagnetisme endda er kompatibel med kvasiperiodicitet-indtil nu.
I en banebrydende undersøgelse har et forskerteam endelig opdaget antiferromagnetisme i en reel QC. Holdet blev ledet af Ryuji Tamura fra Department of Materials Science and Technology ved Tokyo University of Science (TUS) sammen med Takaki Abe, også fra TUS, Taku J. Sato fra Tohoku University og Max Avdeev fra den australske nukleare videnskab og teknologiorganisation og University of Sydney.
Deres undersøgelse er offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik.
“Som det var tilfældet for den første rapport om antiferromagnetisme i en periodisk krystal i 1949, præsenterer vi det første eksperimentelle bevis for antiferromagnetisme, der forekommer i en IQC,” siger Tamura.
På baggrund af deres nylige opdagelse af ferromagnetisme i Au-Ga-R IQCS identificerede forskerne en ny tsai-type guld-indium-europæ (AU-in-EU) IQC, der udviste fem gange, tre gange og to gange rotationssymmetrier. Holdet gennemførte en række målinger af bulkegenskaber og neutroneksperimenter for at undersøge dets magnetiske karakter.
Målinger af magnetisk følsomhed viste en skarp cusp ved en temperatur på 6,5 kelvin (K) for både nulfeltkølede og feltkølede forhold, i overensstemmelse med en antiferromagnetisk overgang. Specifikke varmemålinger viste også en top ved den samme temperatur, idet den bekræftede, at cuspen skyldes en langtrækkende magnetisk rækkefølge.
For yderligere at validere deres resultater udførte teamet neutrondiffraktionsmålinger af IQC ved temperaturer på 10 K og 3 K. De observerede yderligere magnetiske bragg-toppe-skiller intensitetstoppe i diffraktionsmønsteret, hvilket indikerer en ordnet magnetisk struktur-på 3 K, som konsekvent udviste en ulykkelig stigning omkring overgangstemperaturen på 6,5 K i temperaturafhængige målinger, hvilket tilkendegiver det klare bevis for, at de længderilierede antallet af længderindet ville være en langvarig stigning omkring overgangstemperaturen på 6,5 K i temperaturafhængige målinger, hvilket hvilket gjorde det klare bevis for, at de længderilierede belastning af længt-stræben ville være en langvarig stigning i overgangen af overgangstemperaturen på 6,5 K i temperaturafhængige målinger, hvilket hvilket gjorde det klart, hvilket beviser det klare bevis for, at de længderilierede varer. Bestil i en rigtig QC.
Med hensyn til, hvorfor AU-in-EU IQC er vært for en antiferromagnetisk fase, fandt forskerne, at i modsætning til tidligere undersøgte IQC’er, der ofte udviser en negativ curie-weiss-temperatur, har denne roman IQC en positiv curie-weiss-temperatur.
Interessant nok opdagede de også, at med en svag stigning i forholdet mellem elektron-per-atom gennem elementær substitution forsvinder den antiferromagnetiske fase, og IQC viser spin-glasopførsel, ligesom tidligere IQC’er.
Dette antyder, at IQC’er med en positiv curie-weiss temperatur favoriserer antiferromagnetisk ordre etablering, der åbner nye veje for fremtidige undersøgelser til at udvikle nye antiferromagnetiske QC’er ved at kontrollere forholdet elektron-atom.
“Denne opdagelse løser endelig det mangeårige spørgsmål om, hvorvidt antiferromagnetisk orden er mulig i reelle QC’er,” tilføjer Tamura. “Antiferromagnetiske QC’er kunne muliggøre hidtil uset funktioner, såsom ultrasoft magnetiske reaktioner, og vil skabe en revolution inden for spintronics og magnetisk køling i fremtiden.”
Forskernes opdagelse er i overensstemmelse med De Forenede Nationers mål for bæredygtig udvikling (SDG’er)-tilknyttet og ren energi (SDG 7), industri, innovation og infrastruktur (SDG 9)-ved at opbygge energieffektiv elektronik.
Løsning af et årtiers lang mysterium genopliver denne opdagelse ikke kun søgningen efter uudforskede antiferromagnetiske QC’er, men åbner også et nyt forskningsfelt af kvasiperiodiske antiferromagnets, med implikationer, der strækker sig langt ud over Spintronics.