Muonspektroskopi är en viktig experimentell teknik som forskare använder för att studera materials magnetiska egenskaper. Den bygger på att "implantera" en spin-polariserad myon i kristallen och mäta hur dess beteende påverkas av omgivningen.
Tekniken bygger på tanken att myonen kommer att ockupera en väl identifierad plats som huvudsakligen bestäms av elektrostatiska krafter, och som kan hittas genom att beräkna materialets elektroniska struktur.
Men en ny studie ledd av forskare i Italien, Schweiz, Storbritannien och Tyskland har funnit att, åtminstone för vissa material, det inte är slutet på historien:myonplatsen kan förändras på grund av en välkänd men tidigare försummad effekt, magnetostriktion.
Pietro Bonfà från University of Parma, huvudförfattare till studien publicerad i Physical Review Letters , förklarar att hans grupp och deras kollegor vid University of Oxford (UK) har använt density-functional theory (DFT) simuleringar i minst ett decennium för att hitta myonplatser.
"Vi började med knepiga fall, som europiumoxid och manganoxid, och i båda fallen kunde vi inte hitta ett rimligt sätt att förena DFT-förutsägelser och experimenten", säger han.
"Vi testade sedan enklare system och vi hade många framgångsrika förutsägelser, men de två fallen störde oss verkligen. Dessa föreningar borde vara lätta och visade sig istället vara superkomplicerade och vi förstod inte vad som hände. Manganoxid är ett läroboksfall av ett antiferromagnetiskt system, och vi kunde inte förklara muonspektroskopiresultat för det, vilket var lite pinsamt."
Problemet, förklarar han, var motsättningen mellan förväntningarna att hitta myonen i en högsymmetrisk position och dess välkända tendens att skapa bindningar med syreatomer. Materialets antiferromagnetiska ordning minskar symmetrin, och positionen nära syreatomerna blir oförenlig med experiment.
Bonfà misstänkte att förklaringen kunde kopplas till att materialet genomgick en magnetisk fasövergång och började försöka reproducera fenomenet i simuleringar av manganoxid.
"Eftersom det är ett komplicerat system måste du lägga till några korrigeringar till DFT, som Hubbard U-parametern," sa han. "Men vi valde dess värde empiriskt, och när du gör det har du mycket osäkerhet, och resultaten kan förändras dramatiskt beroende på vilket värde du väljer."
Ändå antydde Bonfàs initiala simuleringar att myonpositionerna kunde drivas av magnetostriktion, ett fenomen som gör att ett material ändrar form och dimensioner under magnetisering. För att bevisa det utom tvivel, slog han sig ihop med MARVEL-laboratorierna vid EPFL och PSI av Nicola Marzari och Giovanni Pizzi.
"Vi använde en toppmodern metod som heter DFT+U+V, vilket var mycket viktigt för att göra simuleringar mer exakta", förklarar Iurii Timrov, en forskare vid Laboratory for Materials Simulations vid PSI och medförfattare till studera.
Denna metod kan användas med U- och intersite V Hubbard-parametrar som beräknas från första principer istället för att väljas empiriskt, tack vare användningen av densitetsfunktionella störningsteori för DFT+U+V som utvecklades inom MARVEL och implementerades i Quantum ESPRESSO-paket.
"Även om vi redan hade räknat ut att magnetostriktion var på spel, var det mycket viktigt att ha rätt information om simuleringens byggstenar, och det kom från Iuriis arbete", tillägger Bonfà.
I slutändan var lösningen av pusslet relativt enkel:magnetostriktion, som är samspelet mellan magnetiska och elastiska frihetsgrader i materialet, orsakar en magnetisk fasövergång i MnO vid 118K, vid vilken myonplatsen växlar. Över den temperaturen delokaliseras myonen runt ett nätverk av likvärdiga platser – vilket förklarar det ovanliga beteendet som observerats i experiment vid höga temperaturer.
Forskarna förväntar sig att samma sak kan gälla även för många andra stensaltstrukturerade magnetiska oxider.
I framtiden, förklarar Timrov, vill gruppen fortsätta studera samma material även inklusive temperatureffekter, med hjälp av en annan avancerad teknik utvecklad i MARVEL och kallad stokastisk självkonsistent harmonisk approximation.
Dessutom, och i samarbete med Giovanni Pizzis grupp vid Paul Scherrer Institute, kommer detta tillvägagångssätt att göras tillgängligt för samhället genom AiiDAlab-gränssnittet, så att alla experimentalister kan använda det för sina egna studier.
Mer information: Pietro Bonfà et al, Magnetostriction-Driven Muon Localization in an Antiferromagnetic Oxide, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.046701
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av National Centre of Competence in Research (NCCR) MARVEL
