I materialvetenskapens värld, många har hört talas om kristaller - högordnade strukturer där atomer är arrangerade på ett tätt och periodiskt sätt (där atomarrangemanget upprepas). Men, inte många människor vet om kvasikristaller, som är unika strukturer med konstiga atomarrangemang. Som kristaller, kvasikristaller är också tätt anordnade, men det som är annorlunda med dem är det faktum att de har en aldrig tidigare skådad femkantig symmetri, så att atomarrangemanget är högt ordnat men inte periodiskt.

Denna utmärkande egenskap ger dem unika egenskaper, som hög stabilitet, motstånd mot värme, och låg friktion. Sedan deras upptäckt för bara cirka 30 år sedan, Forskare över hela världen har försökt förstå egenskaperna hos kvasikristaller, i ett försök att göra fler framsteg inom materialforskning. Men, det här är inte lätt, eftersom kvasikristaller inte är vanliga i naturen. Lyckligtvis, de har kunnat använda sig av strukturer som liknar kvasikristaller, kallas "approximanter av Tsai-typ". Att förstå dessa strukturer i detalj kan ge insikter i kvasikristallernas många egenskaper. En sådan egenskap är antiferromagnetism, där magnetiska moment är inriktade i en kvasiperiodisk ordning, skiljer sig slående från konventionella antiferromagneter. Denna egenskap har hittills aldrig observerats i kvasikristaller, men möjligheten var spännande för materialforskare, eftersom det kan vara en inkörsport till en uppsjö av nya applikationer.

I en ny studie publicerad i Fysisk granskning B:Snabb kommunikation , ett team av forskare vid Tokyo University of Science, ledd av Prof Ryuji Tamura, fann för första gången att en typ av approximant av Tsai-typ uppvisar en antiferromagnetisk övergång. Detta var ett spännande fynd, eftersom det antydde att även kvasikristaller kunde visa en sådan övergång. Forskarna visste redan att approximanter av Tsai-typ har två olika varianter:1/1 och 2/1 approximanter.

Huvudskillnaden mellan de två är att 2/1 approximant innehåller ytterligare en romboedrisk enhet i sin struktur, som saknas i typen 1/1, gör dem ännu mer högordnade och närmare kvasikristallernas struktur. Och det är därför forskarna ville se förhållandena där 2/1 approximanter kunde visa antiferromagnetism; det skapade en möjlighet att se denna nya egenskap även i kvasikristaller. Prof Tamura säger, "Antiferromagnetiska övergångar har observerats i ungefär 1/1, men vi observerade det i en 2/1 ungefärlig för första gången. Detta är intressant eftersom till skillnad från 1/1 approximativ, 2/1 approximanten innehåller alla komponenter som behövs för att konstruera en kvasikristall."

För att ta en närmare titt på de magnetiska egenskaperna hos 2/1 approximanter, forskarna syntetiserade metallegeringar med en kristallin struktur, som innehöll både 1/1 och 2/1 approximant. Genom att använda en enhet som kallas supraledande kvantstörningsanordning (SQUID), de studerade de förhållanden under vilka approximanterna visade olika magnetiska egenskaper. Intressant, de fann att en enda parameter dikterar förekomsten av antiferromagnetism i båda typerna av approximanter. Detta var förhållandet mellan elektron per atom, som skilde sig något i de två typerna. Genom att manipulera elektron-per-atom-förhållandet, Prof Tamura och hans team såg en "övergång" till ett antiferromagnetiskt tillstånd i båda typerna av approximanter. Den här egenskapen hade setts i 1/1-typen tidigare men aldrig i 2/1 ungefärlig. Detta var en spännande utveckling, eftersom den mycket ordnade strukturen hos 2/1 approximanten innebar att den kunde användas för att generera kvasikristaller, vilket gör detta till den allra första studien som visar möjligheten av antiferromagnetiska kvasikristaller.

Utvecklar sina upptäckter, Prof Tamura säger, "Vi lyckades observera, för första gången, antiferromagnetiska övergångar i 1/1 och 2/1 AFM -approximanterna i samma legeringssystem." tillägger han, "Vårt fynd visar tydligt att den antiferromagnetiska ordningen överlever i 2/1 högre ordnings approximativ, som har alla byggstenar för att skapa en kvasikristall."

Betydelsen av kvasikristaller - som i rutintillämpningar som att göra stekpannor och nålar för akupunktur och kirurgi - är välkänd. Men, med tanke på deras allra senaste upptäckt, inte mycket har förståtts om vad som gör dem så unika. Genom att visa förekomsten av antiferromagnetism i en kvasikristallliknande struktur, Prof Tamura och hans team har potentiellt banat väg för en större utveckling inom kvasikristallforskning. Prof Tamura avslutar med att säga:"Antiferromagnetiska kvasikristaller hade aldrig setts tidigare, och denna upptäckt har en stor akademisk inverkan." Han tillägger, "Möjligheten av förekomsten av antiferromagnetiska kvasikristaller är ett stort steg mot att dechiffrera mysteriet med kvasikristaller."