Meestal, wanneer materialen opwarmen, worden ze meer ongeordend. Nu hebben onderzoekers van de Radboud Universiteit in Nederland bewijs gevonden voor het tegenovergestelde gebeurt in het element neodymium, dat orde op lange afstand ontwikkelt naarmate de temperatuur stijgt. De aanwezigheid van deze faseovergang zou licht kunnen werpen op het gedrag van materialen die bekend staan als spinbrillen en zou ook kunnen helpen bij de ontwikkeling van apparaten voor informatieopslag of neuromorfisch computergebruik.
Spinglazen zoals neodymium (Nd) zijn een speciale klasse van magnetische materialen waarin deeltjesspins willekeurige, helixachtige patronen vormen onder een bepaalde kritische temperatuur (de zogenaamde spinglastemperatuur). Ze worden vaak beschouwd als ongeordende magneten en verschillen van andere dergelijke "gefrustreerde" magneten zoals spin-ijs en spin-vloeistoffen.
Onlangs hebben onderzoekers onder leiding van Alexander Khajetoorianen at Radboud ontdekte dat Nd een zelf-geïnduceerd spinglas is - wat betekent dat de spinglastoestand tot stand komt dankzij concurrerende spin-uitwisselingsinteracties die voortkomen uit de eigen roosterstructuur van het materiaal. Deze interacties betekenen dat Nd kan bestaan in meerdere lage-energetische toestanden gedefinieerd door zijn wederzijdse roostervector (of magnetische golfvector) Q.
Draait "bevriezen" tot een vaste stof
In de laatste studie zagen Khajetoorians en zijn collega's de spins "bevriezen" tot een vaste stof terwijl ze het element verwarmden van -268 ° C tot -265 ° C. Toen ze het weer afkoelden, verschenen de willekeurige draaiende wervelende patronen weer.
Khajetoorians merkt op dat het verschijnen van deze stoornis-orde-overgang in Nd de algemene perceptie tart dat toenemende temperatuur wanorde veroorzaakt. Zo'n overgang komt normaal gesproken niet voor in magnetische materialen, voegt hij eraan toe, en is ook ongebruikelijk in andere materialen. Een uitzondering is Rochelle-zout, dat ladingen bevat die willekeurig worden verdeeld bij lagere temperaturen, maar zich ophopen en een geordend patroon vormen naarmate de temperatuur stijgt.
In Nd is het gedrag gekoppeld aan een fenomeen waarin veel verschillende toestanden dezelfde energie hebben, waardoor het systeem gefrustreerd raakt, zeggen de onderzoekers. Een verhoging van de temperatuur heft de frustratie op met één ordeningstendens die overleeft, waardoor de spins zich over een groot bereik in een geordend patroon kunnen nestelen. “Concreet is de nieuwe staat een zogenaamde multi-Q één,” vertelt Khajetoorians Natuurkunde wereld. “Er is een energierijke fase bij lage temperatuur en omgekeerd.”
Toepassingen in informatieopslag en neuromorfisch computergebruik
Het Radboud-team gebruikte spin-gepolariseerde scanning tunneling microscopie (STM) om de magnetische textuur op het oppervlak van Nd te onderzoeken. Ze ontwikkelden twee analysetools waarmee ze de overgangstemperatuur van het spinglas rechtstreeks uit hun gemeten gegevens bij verschillende temperaturen konden halen. Ze observeerden veel verschillende en vloeiend variërende patronen in het element bij 5 K (-268 ° C) en minder patronen bij hogere temperaturen die duidelijk werden gescheiden door magnetische domeinwanden.
Onderzoekers vinden 'verloren' impulsmoment
De onderzoekers vergeleken hun waarnemingen ook met simulaties van atomaire spindynamica om hen te helpen de oorsprong van de onverwachte hoge-temperatuurvolgorde te traceren.
Khajetoorians zegt dat hij en zijn team nu zullen bestuderen wat er gebeurt als Nd dunner wordt gemaakt, omdat dit nog meer onverwachte effecten kan veroorzaken. Ze willen ook andere magnetische materialen testen om te zien of ze hetzelfde spin-glass-gedrag vertonen, waarvan ze zeggen dat het kan worden gebruikt voor nieuwe soorten informatieopslag of om neuromorfe computers te ontwikkelen.
Het werk is gedetailleerd in Natuurfysica.
