Magnetism uppstår beroende på hur elektroner beter sig. Till exempel kan elementarpartiklarna generera en elektrisk ström med sin laddning och därigenom inducera ett magnetfält. Men magnetism kan också uppstå genom den kollektiva inriktningen av de magnetiska momenten (snurrarna) i ett material. Vad som dock inte har varit möjligt förrän nu är att kontinuerligt ändra typen av magnetism i en kristall.

Ett internationellt forskarlag ledd av TU Wien-professorn Andrej Pustogow har nu lyckats göra just det:Att förändra magnetismen "genom att trycka på en knapp." För det ändrade teamet kontinuerligt de magnetiska interaktionerna i en enda kristall genom att applicera tryck. Forskarna publicerade nyligen sina resultat i Physical Review Letters .

Människor har fascinerats av magnetism i tusentals år och det har gjort många tekniska tillämpningar möjliga i första hand. Från kompasser och elmotorer till generatorer – dessa och andra enheter skulle inte existera utan ferromagnetism.

Även om ferromagnetism redan är väl studerad, är grundforskningen alltmer intresserad av andra former av magnetism. Dessa är av särskilt intresse för säker datalagring och som potentiella plattformar för kvantdatorer. "Men att söka efter nya former av magnetism och kontrollera dem fullt ut är en extremt svår strävan", säger studieledaren Andrej Pustogow.

Spinn kan visualiseras som små kompassnålar som kan rikta in sig i ett externt magnetfält och själva ha ett magnetfält. Vid ferromagnetism, som används i permanentmagneter, riktas alla elektronsnurr parallellt med varandra. I vissa arrangemang av elektronsnurr, till exempel i vanliga kvadratiska kristallgitter av schackbrädetyp, är en antiparallell inriktning av spinnen också möjlig:Närliggande spinn pekar alltid växelvis i motsatta riktningar.

Med triangulära gitter (eller gitter i vilka triangulära strukturer förekommer, såsom det mer komplexa kagomegittret) är ett helt antiparallellt arrangemang inte möjligt:​​Om två hörn av en triangel har motsatta spinnriktningar måste den återstående sidan matcha en av de två riktningarna . Båda alternativen – snurra upp eller snurra ner – är då exakt likvärdiga.

"Denna möjlighet till flera identiska alternativ är känd som 'geometrisk frustration' och förekommer i kristallstrukturer med elektronsnurr arrangerade i triangulära, kagome- eller bikakegaller", förklarar fasta tillståndsfysikern Pustogow. Som ett resultat bildas slumpmässigt arrangerade snurrpar, med vissa snurr som inte hittar någon partner alls.

"De återstående oparade magnetiska momenten kan intrasslas med varandra, manipuleras med externa magnetfält och därmed användas för datalagring eller beräkningsoperationer i kvantdatorer", säger Pustogow.

"I verkliga material är vi fortfarande långt ifrån ett sådant tillstånd av idealisk frustration. Först och främst måste vi kunna kontrollera kristallgittrets symmetri exakt och därmed de magnetiska egenskaperna", säger Pustogow. Även om material med stark geometrisk frustration redan kan produceras, har en kontinuerlig förändring från svag till stark frustration och vice versa ännu inte varit möjlig, speciellt inte i en och samma kristall.

För att ändra magnetismen i det undersökta materialet "genom att trycka på en knapp" satte forskarna kristallen under tryck. Utgående från en kagomestruktur deformerades kristallgittret av enaxlig spänning, vilket förändrade de magnetiska interaktionerna mellan elektronerna.

"Vi använder mekaniskt tryck för att tvinga systemet i en föredragen magnetisk riktning. Som ibland i verkliga livet, minskar stress frustration eftersom ett beslut tvingas på oss och vi behöver inte fatta det själva", säger Pustogow.

Teamet lyckades öka temperaturen på den magnetiska fasövergången med mer än 10 %. "Det här kan inte tyckas mycket vid första anblicken, men om fryspunkten för vatten höjdes med 10 %, till exempel, skulle det frysa vid 27°C - med allvarliga konsekvenser för världen som vi känner den", förklarar Pustogow.

Medan den geometriska frustrationen i det aktuella fallet reducerades av mekaniskt tryck, siktar forskargruppen nu på en ökning av frustration för att helt eliminera antiferromagnetism och realisera en kvantspinnvätska enligt beskrivningen ovan. "Möjligheten att aktivt kontrollera geometrisk frustration genom enaxlig mekanisk påkänning öppnar dörren till otänkbara manipulationer av materialegenskaper "genom att trycka på en knapp", säger Pustogow.

Mer information: Jierong Wang et al, Controlled Frustration Release on the Kagome Lattice by Uniaxial-Strain Tuning, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256501. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.08613

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv

Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet