Magnetiska material som bildar spiralformade strukturer - lindade former som kan jämföras med en spiraltrappa eller dubbla spiralsträngarna i en DNA -molekyl - uppvisar ibland exotiskt beteende som kan förbättra informationsbehandling på hårddiskar och andra digitala enheter.

Ett forskargrupp från Colorado State University använder neutroner vid Department of Energy (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att studera ett sådant material, Fe3PO7. Även om spiralformade strukturer typiskt bildas av magnetiska moment som vindar runt en axel i en bestämd riktning, forskarna upptäckte att Fe3PO7 inte väljer en särskild riktning och bara tillåter kortdistansformade spiralformade strukturer. Dessa strukturer kan ge nya tekniska möjligheter.

"Eftersom helixens riktning varierar i rymden, den har vad vi kallar en delordning, vilket betyder att det inte finns någon inställd riktning för spiralaxeln att peka, "sa assisterande professor Kate Ross, som också är en tidigare ordförande för ORNL:s SNS-HFIR-användargrupp.

Genom att bestämma Fe3PO7:s magnetiska struktur med hjälp av Four-Circle Diffractometer-instrumentet, beamline HB-3A vid ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), forskarna hoppas kunna identifiera de bakomliggande faktorerna som bidrar till denna ovanliga spiralformade magnetiska struktur. Neutroner har sin egen "spin" (en inneboende fart), gör dem känsliga för magnetism inuti material, vilket innebär att de är det perfekta verktyget för uppgiften.

Teamets lilla kristallprov är antiferromagnetiskt, vilket innebär att varje snurr på atomgitteret försöker möta i motsatt riktning av sitt grannspinn. Dock, Fe3PO7 bildar ett galler baserat på triangulära enheter som gör detta arrangemang omöjligt, vilket resulterar i ett atomläge som kallas "frustration". Dessa nyckelegenskaper kan informera teamets undersökning av den okonventionella magnetiska strukturen.

"Vi tycker att det finns en spännande möjlighet som potentiellt kan förklara materialets partiella spiralformade ordning och kortdistansrelationer, som båda är ovanliga att se i ett solid state-material, "Sa Ross.

Detta fenomen kan orsakas av vridna områden av magnetisering som kallas "skyrmions" som stör magnetiska spinnmönster. Enligt Ross, dessa antiferromagnetiska, "igelkottsliknande" defekter kan främja spintronikområdet, vilket innebär att man manipulerar elektronspinn för att förbättra magnetisk informationslagring och andra applikationer.

Efter att ha analyserat deras data, forskarna planerar att genomföra ytterligare studier fokuserade på dynamiken i Fe3PO7 för att bekräfta detta scenario.

Ross har studerat frustrerad magnetism sedan hennes läsår, och ämnet fortsätter att fascinera och inspirera henne idag. Hon beskriver sitt team som upptäcktsresande som söker intressanta magnetfaser som ofta når oväntade slutsatser.

"Det är det som verkligen håller mig intresserad av att göra sådana här projekt, "sa hon." Du kan gå åt ett håll baserat på en bra idé och sedan avledas för att lära dig om något helt annat. "