Materialvetare vid Duke University har visat det första tydliga exemplet att ett materials övergång till en magnet kan kontrollera instabilitet i dess kristallina struktur som får det att förändras från en ledare till en isolator.

Om forskare kan lära sig att kontrollera detta unika samband mellan fysiska egenskaper som identifieras i sexkantig järnsulfid, det kan möjliggöra ny teknik som spintronic computing. Resultaten visas den 13 april i tidningen Naturfysik .

Vanligen känd som troilit, sexkantig järnsulfid kan hittas på jorden men är rikligare i meteoriter, särskilt de som kommer från månen och Mars. Sällan påträffad i jordskorpan, mest troilit på jorden antas ha sitt ursprung i rymden.

Trots sin relativa sällsynthet, troilite har studerats sedan 1862 utan mycket fanfare. En ny teoretisk uppsats, dock, föreslog att det kan finnas ny fysik på spel mellan temperaturerna 289 och 602 grader Fahrenheit - temperaturintervallet vid vilket troilit blir både magnetiskt och isolerande.

"Papperet teoretiserade att det sätt på vilket atomerna skiftar i sin kristallina struktur påverkar mineralets egenskaper genom en ganska komplicerad effekt som inte har setts tidigare, "sa Olivier Delaire, docent i maskinteknik och materialvetenskap, fysik och kemi vid Duke. "Den viktigaste aspekten är denna interaktion mellan magnetiska egenskaper och atomdynamik, som är ett ämne som inte har undersökts mycket tidigare men som öppnar nya möjligheter inom datorteknik. "

För att komma till kärnan i materialets udda beteende, Delaire och hans kollegor vände sig till Haidong Zhou, biträdande professor i experimentell fysik av kondenserad materia vid University of Tennessee, för den svåra uppgiften att odla perfekta kristaller av troilit. Forskarna tog sedan prover till Oak Ridge National Laboratory och Argonne National Laboratory för att spränga dem med neutroner och röntgenstrålar, respektive.

När partiklar som neutroner eller röntgenstrålar studsar av atomerna inuti ett material, forskare kan ta denna spridningsinformation för att rekonstruera dess atomstruktur och dynamik. Eftersom neutroner har sitt eget inre magnetiska moment, de kan också avslöja riktningen för varje atoms magnetiska snurr. Men eftersom neutroner interagerar svagt med atomer, Röntgenstrålar är också mycket praktiska för att lösa ett materials atomstruktur och atomvibrationer i små kristaller. Forskarna jämförde resultaten från de två olika skanningarna med hjälp av kvantmekaniska modeller som skapats på en superdator vid Lawrence Berkeley National Laboratory för att se till att de förstod vad som hände.

Efter att ha sett de förändringar som sker genom troilites fasomvandlingar, forskarna upptäckte tidigare osynliga mekanismer på jobbet. Vid höga temperaturer, de magnetiska snurrningarna av troilitatomer pekar i slumpmässiga riktningar, gör materialet icke-magnetiskt. Men när temperaturen faller under 602 grader Fahrenheit, de magnetiska stunderna anpassas naturligt och en magnet föds.

Justeringen av de magnetiska snurrarna skiftar atomernas vibrationsdynamik. Det skiftet får hela den kristallina atomstrukturen att deformeras något, vilket i sin tur skapar ett bandgap som elektroner inte kan hoppa över. Detta gör att troiliten tappar sin förmåga att leda elektricitet.

"Detta är det första tydliga exemplet på att inriktningen av magnetiska snurr kan styra instabiliteten i ett materials kristallstruktur, "sa Delaire." Och eftersom dessa instabiliteter leder till en koppling mellan kristallens magnetiska och konduktivitetsegenskaper, det här är den typ av material som är spännande när det gäller att möjliggöra nya typer av enheter. "

Möjligheten att justera ett materials magnetiska tillstånd genom att applicera elektriska strömmar, och vice versa, skulle vara avgörande för att förverkliga tekniker som spinnelektronik, Sa Delaire. Känd som spintronics för kort, detta framväxande fält försöker använda en elektronens inneboende snurrning och tillhörande magnetmoment för att lagra och manipulera data. Kombinerat med en elektron traditionell roll inom datorer, detta skulle göra det möjligt för datorprocessorer att bli tätare och effektivare.

Genom detta papper, Delaire och hans kollegor har identifierat de magnetiska kontrollerna för distorsionsmekanismerna i kristallstrukturen, ger forskare ett handtag för att manipulera det ena med det andra. Medan handtaget för närvarande är baserat på temperaturförändringar, nästa steg för forskare är att titta på att applicera externa magnetfält för att se hur de kan påverka materialets atomdynamik.

Oavsett om troilite blir det nya kislet för nästa generations datorteknik, Delaire säger att hitta denna unika mekanism i ett så välkänt material är en bra lektion för hela fältet.

"Det är förvånande att även om du har en förening som är relativt enkel, du kan ha denna snygga mekanism som kan sluta möjliggöra ny teknik, "sa Delaire." På ett sätt, Det är ett väckarklocka som vi behöver ompröva några av de enklare materialen för att leta efter liknande effekter någon annanstans. "