Människor är inte de enda som ibland blir frustrerade. Vissa kristaller visar också frustration. De gör det när deras elementära magneter, de magnetiska snurrarna, kan inte justeras ordentligt. Cesiumkopparklorid (Cs ₂ CuCl ₄ ) - eller CCC i korthet - är ett utmärkt exempel på frustrerade material. I denna kristall, de magnetiska kopparatomerna finns på ett triangulärt gitter och försöker anpassa sig parallellt med varandra. I en triangel, det här fungerar inte, dock. Denna geometriska frustration utmanar fysiker. Trots allt, det lovar upptäckten av nya magnetiska fenomen som till och med kan användas för kvantdatorer i framtiden. För att bättre undersöka och förstå de underliggande grunderna, fysiker från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) i Tyskland, stöds av japanska och amerikanska kollegor, kan nu styra magnetkopplingen med en elegant mätmetod.

"Vårt mål är att belysa de komplexa kvantprocesserna i geometriskt frustrerade kristaller i detalj, "förklarar Dr Sergei Zvyagin från Dresden High Magnetic Field Laboratory vid HZDR. Teorier om det magnetiska beteendet hos kristaller som CCC finns i överflöd. Men än så länge har sofistikerade experiment för att testa dessa teorier på själva objektet har saknats. För detta ändamål, det är till hjälp att avsiktligt ändra styrkan hos interaktionerna mellan de magnetiska atomerna.

Fysiker i många laboratorier tar ofta en tråkig väg:de producerar kristaller med geometrisk frustration i en något annorlunda kemisk sammansättning. Detta förändrar den magnetiska interaktionen mellan de elementära magneterna, men ibland också - oavsiktligt - kristallstrukturen. Zvyagin lämnade detta mödosamt, rent kemisk väg till djupare kunskap. Istället, han använde högtryck. Under dessa omständigheter, styrkan hos kopplingen av de magnetiska snurrarna kan ändras kvasi-kontinuerligt.

"Med den nya metoden, vi kan styra kopplingsparametrarna inom kristallen och samtidigt mäta effekterna på de magnetiska egenskaperna, "säger Sergei Zvyagin. Han fick CCC -kristallerna för sina experiment från Dr. Hidekazu Tanakas grupp vid Tokyo Institute of Technology. Med en kantlängd på bara några millimeter och deras skimrande orange genomskinlighet, de påminner mer om ljusa granatstenar än på konstgjorda kristaller som odlats i laboratoriet.

Även i Japan, vid Tohoku University i Sendai, Zvyagin och hans kollegor placerade kristallerna i en högtryckspress med kolvar av höghållfast zirkoniumoxid. Forskarna ökade gradvis trycket till cirka två gigapascal - ett tryck som liknar det som utövas av bilens vikt på en yta som är lika stor som en blyerts.

"Under detta tryck, avstånden mellan atomerna förändrades väldigt lite, "säger Zvyagin." Men kristallens magnetiska egenskaper visade en drastisk förändring. "Forskarna kunde mäta dessa förändringar direkt med elektronspinnresonans (ESR). De bestämde transmittansen för ljus (eller mer exakt, mikrovågor) i ett mycket starkt yttre magnetfält på upp till 25 Tesla - ungefär en halv miljon gånger starkare än jordens magnetfält. Dessutom, kristallen måste frysas till -271 grader Celsius, nästan till absolut noll, för att undvika störande effekter orsakade av värme.

Dessa mätningar i ett starkt yttre magnetfält avslöjade materialets mycket ovanliga magnetiska egenskaper. Forskarna kunde variera styrkan på kopplingen mellan angränsande magnetiska snurr genom att ändra trycket. Ytterligare mätningar med en ytterligare metod från materialforskning - tunneldiodoscillator (TDO) - kompletterade dessa resultat. TDO -mätningarna utfördes - även under högt tryck och i starka magnetfält - vid Florida State University i Tallahassee.

Dessutom, Zvyagin och hans kollegor fann bevis för att CCC under högt tryck uppvisar en kaskad av nya faser med ökande magnetfält, frånvarande vid nolltryck. "Tack vare dessa mätningar, vi är nu ett steg längre mot bättre förståelse av olika faser, "säger professor Joachim Wosnitza, chef för Dresden High Magnetic Field Laboratory.

"Den exakta identifieringen av dessa faser är ett av våra nästa mål, "säger Zvyagin. I framtiden, han tänker bestämma de exakta strukturerna av hans CCC -kristaller med hjälp av neutronspridning. För dessa planer, han uppskattar de utmärkta forskningsförhållanden som HZDR erbjuder med sitt nära internationella nätverk. "För mig, det är en idealisk plats för mitt intresse för grundforskning, "säger fysikern." Och om vi förstår kvantprocesserna i dessa kristaller med frustrerad geometri, applikationer kan också dyka upp. "

Joachim Wosnitza ser också stor potential i de exotiska magnetiska egenskaperna hos dessa kristaller. "Man kan föreställa sig långlivade kvantsystem där magnetiska snurr kan användas på ett kontrollerat sätt, "säger Wosnitza." Om detta sedan leder till en kvantdator eller en speciell sensor kan ännu inte förutse, Men vägen till sådana applikationer kan fortfarande vara väldigt lång. Men med deras framgångsrika mätningar, HZDR -forskarna har ingen anledning att vara frustrerade - till skillnad från sina kristallprover.