Magnetismul asemănător cristalelor lichide explică proprietățile neobișnuite ale unui compus cu pământuri rare
În anumite materiale, proprietățile fizice nu provin de la particulele individuale, ci din comportamentul colectiv al spinilor cuantici. Cercetătorii conduși de Pengcheng Dai de la Universitatea Rice din SUA au descoperit că, într-un compus care conține elementul de pământ rar yterbiu, spinii se pot comporta asemănător moleculelor dintr-un cristal lichid: preferă o anumită direcție fără a se alinia pentru a crea magnetism la scară largă. Rezultatele au fost publicate în Physical Review X.
O stare intermediară
Spinul este o proprietate cuantică a particulelor, inclusiv a electronilor, transformându-i practic în mici magneți care indică direcții specifice. Când mai mulți spini interacționează, tiparele pe care le formează pot influența puternic modul în care un material conduce electricitatea și căldura. În magneții obișnuiți, spinii se aliniază pentru a crea o magnetizare generală, dar această ordonare se destramă peste o anumită temperatură, lăsând spinii orientați în direcții aleatorii. Studii anterioare au sugerat că unele compuși magnetici ar putea găzdui o stare intermediară de „spin nematic”. Asemenea moleculelor în formă de tijă dintr-un afișaj cu cristale lichide, spinii împărtășesc o direcție preferată, dar fără a forma ordine magnetică.
Dezvăluirea orientărilor schimbătoare
Echipa lui Dai a analizat dacă această stare ar putea exista în YbMnBi₂, un compus format din yterbiu, mangan și bismut. Într-un câmp magnetic, curenții de electricitate și căldură care circulă prin material sunt deviați lateral mult mai puternic decât s-ar aștepta, chiar și la temperaturi la care ordinea magnetică a dispărut. Până acum, acest comportament nu a avut o explicație convingătoare.
Pentru a investiga, cercetătorii au tras fascicule de neutroni asupra cristalelor de YbMnBi₂ și asupra unui compus strâns înrudit, în care yterbiul este înlocuit cu calciu. Deoarece neutronii au propriii spini, echipa le-a putut controla orientarea și apoi a măsurat modul în care se împrăștiau pe spinii din interiorul fiecărui cristal. Acest lucru le-a permis să compare modul în care spinii fluctuau de-a lungul diferitelor direcții, variind temperatura și intensitatea câmpului magnetic aplicat.
Pe măsură ce răceau compusul cu yterbiu de la 450 K (aproximativ 177°C), echipa a constatat că, în jurul valorii de 400 K, spinii manganului au început să fluctueze mai puternic în anumite direcții decât în altele, chiar dacă materialul era încă prea cald pentru ca ordinea magnetică să se instaleze în jurul valorii de 290 K. Compusul cu calciu nu a prezentat niciun semn al acestui efect, oferind dovezi solide pentru o stare nematică de spin fluctuantă.
O relație intrinsecă
Pe baza rezultatului lor, echipa lui Dai propune acum că starea apare deoarece atomii grei de yterbiu leagă strâns mișcarea electronilor de spinii acestora. Într-un câmp magnetic, spinii atomilor de yterbiu pot interacționa cu această stare, creând o aranjare răsucită a spinilor care deviază electronii pe măsură ce se deplasează.
Dincolo de rezolvarea misterului comportamentului neobișnuit al YbMnBi₂, rezultatele ar putea ghida eforturile de a crea efecte similare în alte materiale. Acest lucru ar putea aduce în cele din urmă noi progrese în spintronică, o tehnologie emergentă care transportă informația folosind spinul în locul sarcinii electrice. Deoarece efectul apare fără ordine magnetică și la temperatura camerei, ar putea fi deosebit de promițător pentru dispozitive practice.
