Kristallsymmetri är ett grundläggande begrepp inom materialvetenskap, som spelar en avgörande roll för att bestämma struktur-egenskapsrelationer. Vanligtvis är en kristall en solid sammansatt av strukturella enheter som periodiskt upprepas i tredimensionellt utrymme, och bildar ett system som uppvisar både translations- och rotationssymmetri.
När specifika former av symmetri inom systemet störs på grund av spontana processer eller yttre påverkan, uppstår ofta nya fysikaliska fenomen och kemiska egenskaper. Emellertid har omfattande ansträngningar att designa och reglera atomära konfigurationer i material främst fokuserat på att manipulera geometriska former, kemisk dopning och lokala miljöer; nya typer av symmetriska material rapporteras sällan.
För att ta itu med denna lucka har ett forskarlag bestående av professor Lin Guo från Beihang University, professor Renchao Che från Fudan University, professor Lin Gu från Tsinghua University och professor Er-Jia Guo från Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, rapporterat en NiS ultrafin nanorod med en ny symmetrifördelning. Resultaten publiceras i tidskriften National Science Review .
Atomarrangemanget av denna nanorod uppvisar både radiell rotationssymmetri och axiell translationssymmetri. Detta är den första demonstrationen av riktningsrelaterad symmetriseparation inom en enda nanostruktur, som går utöver de traditionella beskrivningarna av materialstrukturer i kända tredimensionella rymdgrupper och punktgrupper, och överträffar de konventionella definitionerna av kristallografi.
På grund av sin unika kristallstruktur visar nanorod samtidigt kombinerade magnetiska egenskaper hos randiga och virvelmagnetiska domäner i olika riktningar. Detaljerad strukturell karakterisering avslöjade att tvärsnittsprofilen av NiS nanorods distinkt visar regelbundna fem-ring atommönster snarare än traditionella periodiska gitter. Radiellt uppvisar NiS nanorods rotationssymmetri men saknar translationssymmetri.
Däremot, när de observeras från sidan, visar NiS nanoroderna regelbunden translationsperiodicitet. Förekomsten av endast horisontella ränder och en oordnad atomstruktur på atomskala indikerar dock att atomernas radiella projektionsperiodicitet är störd och den radiella symmetrin störs.
Experimentella resultat visar att NiS nanorods endast uppvisar traditionell kristallliknande rotations- och translationssymmetri när de växer till en viss diameter.
Vidare använde forskargruppen Lorentz-mikroskopi för att mäta den magnetiska fördelningen av NiS nanorods på nanoskala. Resultaten indikerar att NiS nanorods har axiellt antiparallell randiga magnetiska domäner och radiellt arrangerade virveldomäner, vilket tyder på att elektronspinarrangemanget följer det inneboende atomarrangemanget.
Längs den långa axeln producerar det långväga ordnade atomarrangemanget inriktade spinn och magnetiska moment, vilket bildar domänväggar. I radiell riktning begränsar det cirkulära arrangemanget av atomer inriktningskonsistensen av spinnen, vilket gör att de magnetiska momenten bildar en sluten slinga.
På den korta änden visar den observerade symmetriseparationen i NiS nanorods integrationen av flera magnetiska ordrar, ett fenomen som inte tidigare setts i traditionella kristaller, kvasikristaller och amorfa material. Denna inneboende magnetiska konfiguration inducerad av unik kristallsymmetri erbjuder nya material och designkoncept för att upptäcka ny magnetisk koppling och främja icke-flyktiga magnetiska inspelningsmedia med hög densitet.
Mer information: Jianxin Kang et al, NiS ultrafin nanorod med translations- och rotationssymmetri, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae175
Tillhandahålls av Science China Press
