En spinnvätska är ett speciellt tillstånd av materia som uppstår i vissa magnetiska material vid mycket låga temperaturer. Trots sitt namn har den inget med vätskor att göra i vardaglig bemärkelse. Normalt, i en magnet, gillar dessa elektronsnurr att radas upp i en viss ordning.
Men i en snurrvätska, på grund av kvantmekanikens konstigheter, blir snurren frustrerade och vägrar att lägga sig i ett vanligt mönster, även vid mycket kalla temperaturer. Frånvaron av klassiska ordningsparametrar gör det svårt att identifiera med en enda teknik. Tillgängligheten av stora enkristaller möjliggör detaljerade studier såsom magnetisk anisotropi och magnetiska excitationer undersökta av oelastisk neutronspridning.
Nyligen publicerades en studie i Materials Futures rapporterade den framgångsrika syntesen av centimeterstora enkristaller av PrMgAl11 O19 , en ny spinnvätskekandidat baserad på det triangulära gittret.
I denna artikel använde författarna högtryckstekniken för optisk flytande zon för att producera en högkvalitativ PrMgAl11 O19 enkristall, som är isostrukturell till sin systerförening PrZnAl11 O19 som har föreslagits som en Dirac spin liquid-kandidat.
Syntesen av en enkristall möjliggör en detaljerad strukturkarakterisering med enkristallröntgendiffraktionsmätningar. En noggrann förfining avslöjar en närvaro av cirka 7 % störning vid Pr 3+ webbplats. Detta är viktig information eftersom för liknande föreningar som YbMgGaO4 , platsstörningen mellan Mg och Ga driver systemet till ett spinnglastillstånd.
Däremot magnetiska och termodynamiska mätningar på PrMgAl11 O19 indikerar frånvaron av långdistansmagnetisk ordning och spinnfrysning ner till så lågt som 50 mK, om än med en stor spin-spin-interaktion, ~ -8 K.
Mätningarna av magnetisering, kristallelektriskt fält (CEF) och elektronspinresonans (ESR) indikerar ytterligare en Ising-anisotropi med momenten som pekar ut från det triangulära planet. Medan Heisenberg-modellen på det triangulära gittret vanligtvis leder till ett magnetiskt ordnat tillstånd, kan Ising-modellen resultera i ett makroskopiskt degenererat spinnvätsketillstånd.
Detta har föreslagits för TmMgGaO4 och NdTa7 O19 till exempel. Den förra visar dock ett partiellt ordningstillstånd under 0,7 K, och brist på stor enkristall för den senare hindrar vidare studier. Således är tillgängligheten av stora enkristaller för PrMgAl11 O19 ger en lovande möjlighet att undersöka den triangulära Ising-modellen på djupet
Under de senaste åren har man insett att störning kan leda till exotiska faser såsom spin-vätskeliknande slumpmässiga single-tillstånd. Att förstå störningens roll är lika utmanande som att producera idealiska kristaller. I denna studie förekommer störningar inom det triangulära magnetiska subgitteret, till skillnad från YbMgGaO4 där störningen finns på den icke-magnetiska platsen.
Att ersätta Pr med ett annat sällsynt jordartselement kan resultera i olika grader av störning på det magnetiska stället. Detta erbjuder ett kontrollerbart sätt att manipulera störningar. Att ersätta joner av sällsynta jordartsmetaller kommer också att förändra den lokala spinnkaraktären, vilket ger ytterligare en avstämningsparameter för magnetism.
Med stora enkristaller och många tillgängliga kemiska substitutioner är denna forskningsväg lovande för att upptäcka material med olika egenskaper som supraledning, framväxande kvantfenomen och exotiska spinnstrukturer.
Mer information: Yantao Cao et al, Synthesis, disorder and Ising anisotropy in a new spin liquid candidate PrMgAl11O19, Materials Futures (2024). DOI:10.1088/2752-5724/ad4a93
Tillhandahålls av Songshan Lake Materials Laboratory
