Det finns en udda i de flesta familjer, men fysikern vid Rice University Emilia Morosan har upptäckt en hel klan av excentriska föreningar som kan hjälpa till att förklara den mystiska elektroniska och magnetiska funktionen hos andra kvantmaterial ingenjörer letar efter nästa generations datorer och elektronik.

Morosan och 30 medförfattare beskriver den första familjemedlemmen-ett "halvmetalliskt Kondo-gitter" tillverkat av ytterbium, rodium och kisel i förhållandet 1-till-3-till-7 — i en studie i veckan i American Physical Society-tidskriften Fysisk granskning X ( PRX ). Papperet beskriver två egenskaper hos YbRh ₃ Si ₇ -"metamagnetism" och "lågbärande Kondo" -effekter-som sällan tidigare har mätts i samma material.

Morosan, vars laboratorium är specialiserat på design, upptäckt och syntes av kvantmaterial, skapade den nya familjen 1-3-7-tal med stöd från Gordon och Betty Moore-stiftelsens Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative (EPiQS). Hon sa att några 1-3-7 hade beskrivits i den vetenskapliga litteraturen före hennes Moore-finansierade forskning. Av de flera föreningar i familjen 1-3-7 som upptäcktes av hennes grupp, fyra är magnetiska, tre är ytterbiumbaserade och "var och en är mer överraskande än den förra, " Hon sa.

"Först, detta ger oss en möjlighet att förstå allt detta, av sig själva, och sedan förstå dem i förhållande till varandra, "sa Morosan, som utsågs till Moore Foundation EPiQS Materials Synthesis Investigator 2014. "Till exempel, de strukturella och kemiska skillnaderna mellan dessa är mycket små. Gitterparametrarna är nästan identiska. Man skulle förvänta sig att de fysiska förändringarna därför skulle vara minimala i dessa besläktade föreningar, men vi hittar dramatiskt olika magnetiska och transportegenskaper. Om vi ​​kan förstå varför det händer i denna familj, det kan tillåta oss att söka efter föreningar med de egenskaper vi vill ha. "

I YbRh ₃ Si ₇ och alla andra kristaller, atomer är ordnade på ett ordnat sätt. Varje kristall har sitt eget signaturstrukturmönster, eller gitter. I kristaller som innehåller magnetiska element som järn eller ytterbium, det ordnade arrangemanget av atomer i ett gitter går ofta hand i hand med magnetisk ordning.

Till exempel, varje elektron fungerar som en liten roterande magnet, med en positiv och negativ magnetisk pol i vardera änden av sin spinnaxel. Elektronens magnetmoment hänvisar till den riktning i vilken spinnaxeln pekar, och i element som järn och ytterbium, som var och en innehåller många elektroner, atomer kan ha ett starkt kollektivt magnetiskt moment. I ferromagneter - materialen som sitter fast vid otaliga kylskåp och bilar - pekar alla dessa magnetiska ögonblick i en riktning. I antifromagneter, som YbRh ₃ Si ₇ , hälften av stunderna pekar ett sätt och hälften pekar motsatt.

Tekniska företag är alltmer intresserade av att använda snurr i solid state-enheter. Spintronics, en växande rörelse, är dedikerad till att skapa spinnbaserad teknik för dataöverföring, datalagring och beräkning, inklusive i grunden nya typer av chips för kvantdatorer.

För dem som studerar nya magnetiska material, som YbRh ₃ Si ₇ , ett sätt att sondra magnetisk ordning är genom att samla in momenten för att peka i en annan riktning som svar på ett externt magnetfält. Genom att mäta mängden fältenergi som behövs för att ändra riktningen som de magnetiska momenten pekar, fysiker kan lära sig mycket om den roll som kristallgitteret spelar i hur de magnetiska stunderna uttrycker sig.

I de flesta material, atomernas magnetiska moment roterar gradvis mot det yttre fältets riktning när intensiteten ökar. I metamagneter, kristallfältets krafter utövar ett sådant drag att ögonblicken stannar på plats, även om ett externt fält tillämpas. Men när fältenergin når en kritisk nivå, stunderna knäpper alla direkt till ett nytt arrangemang som är närmare anpassat till fältet. Om fältintensiteten ökas tillräckligt, stunderna kan göras för att anpassa sig till fältet, men "bara genom denna utveckling av stegvisa förändringar som påminner om en djävulstrappa, "Sa Morosan.

Fyndet av de metamagnetiska övergångarna var den första ledtråden att något konstigt var på gång i YbRhs kristallografiska struktur ₃ Si ₇ .

"Det finns väldigt få exempel på metamagnetism i ytterbiumbaserade föreningar, "sa studiemedförfattaren Macy Stavinoha, en doktorand i Morosans grupp. "Den övergången fick oss att titta på den bakomliggande magnetiska strukturen, vilket var ganska komplicerat. Vi var tvungna att använda en mängd tekniker för att bekräfta vad som var inblandat. "

Den åtta år långa experimentella odyssén för att dechiffrera materialets magnetiska ordning leddes av tidigare doktorand. student och medförfattare Binod Rai och inkluderade resor till Tennessee's Oak Ridge National Laboratory, Marylands National Institute of Standards and Technology, Storbritanniens Rutherford Appleton Laboratory, Floridas National High Magnetic Field Laboratory och New Mexico Los Alamos National Laboratory.

Morosan sa att experimenten hjälpte hennes team att dechiffrera den förvirrande konkurrensen mellan krafter - strukturell, elektronisk och magnetisk - på spel i YbRh ₃ Si ₇ .

"Det var inget enkelt, i den meningen att du kunde sitta ner, titta på data från ett experiment och berätta omedelbart vad som hände, " Hon sa.

Till exempel, experiment visade att de metamagnetiska övergångarna i YbRh ₃ Si ₇ inträffade vid lägre fält när magnetfältet appliceras vinkelrätt mot nollfältets momentriktning. Detta står i kontrast med metamagnetiska övergångar i nästan alla andra ytterbiumbaserade föreningar, som uppstår när det applicerade fältet är parallellt med momentriktningen. Morosan sa att detta pekar på en känslig balans mellan de olika energivågorna i YbRh ₃ Si ₇ .

Ett annat exempel på konkurrerande energivågor i materialet kan ses i den förbättrade interaktionen mellan magnetmoment och ledningselektroner. Denna interaktion, känd som "Kondo -screening, "uppstår när bärarelektroner - de flödande partiklarna i elektrisk ström - interagerar med magnetiskt inriktade elektroner i ytterbiumatomerna. Stavinoha sa att det är förbryllande eftersom YbRh ₃ Si ₇ har en lägre densitet av bärarelektroner än de flesta kända Kondo -material.

"Du hittar sällan flera Kondo -system i en familj av isostrukturala föreningar, "Sa Stavinoha." I familjen 1-3-7, vi upptäckte tre sådana Kondo -system med distinkta magnetiska och elektroniska egenskaper. Den kombinationen av strukturell likhet och olikhet mellan fysiska egenskaper utgör en stor möjlighet för jämförande studier. "