Physiker haben „gestapelte Pfannkuchen aus flüssigem Magnetismus“ entdeckt, die möglicherweise für das seltsame elektronische Verhalten einiger geschichteter Spiralmagnete verantwortlich sind.
Die untersuchten Materialien sind bei kalten Temperaturen magnetisch und werden beim Auftauen nichtmagnetisch. Der Experimentalphysiker Makariy Tanatar vom Ames National Laboratory an der Iowa State University bemerkte ein verwirrendes elektronisches Verhalten in geschichteten helimagnetischen Kristallen und machte den Rice-Theoretiker Andriy Nevidomskyy auf das Rätsel aufmerksam, der mit Tanatar und dem ehemaligen Rice-Doktoranden Matthew Butcher zusammenarbeitete, um ein Rechenmodell zu erstellen das die Quantenzustände von Atomen und Elektronen in den Schichtmaterialien simulierte.
Magnetische Materialien durchlaufen einen „Tau“-Übergang, wenn sie sich erwärmen und nichtmagnetisch werden. Die Forscher führten Tausende von Monte-Carlo-Computersimulationen dieses Übergangs in Helimagneten durch und beobachteten, wie sich die magnetischen Dipole der Atome im Inneren des Materials während des Auftauens anordneten. Ihre Ergebnisse wurden in einer aktuellen Studie in Physical Review Letters veröffentlicht.
Auf submikroskopischer Ebene bestehen die untersuchten Materialien aus Tausenden von 2D-Kristallen, die wie Seiten in einem Notizbuch übereinander gestapelt sind. In jeder Kristallschicht sind Atome in Gittern angeordnet, und die Physiker modellierten Quantenwechselwirkungen sowohl innerhalb als auch zwischen den Schichten.
„Wir sind es gewohnt zu denken, dass, wenn man einen Feststoff wie einen Eisblock nimmt und ihn erhitzt, er irgendwann flüssig wird und bei einer höheren Temperatur verdampft und zu einem Gas wird“, sagte Nevidomskyy , außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie und Mitglied der Rice Quantum Initiative. „Eine ähnliche Analogie lässt sich mit magnetischen Materialien ziehen, nur dass nichts im wahrsten Sinne des Wortes verdampft.
„Der Kristall ist noch intakt“, sagte er. „Aber wenn man sich die Anordnung der kleinen magnetischen Dipole anschaut – die wie Kompassnadeln sind – beginnen sie in einer korrelierten Anordnung, das heißt, wenn man weiß, in welche Richtung einer von ihnen zeigt, kann man bestimmen, in welche Richtung einer von ihnen zeigt.“ Sie zeigen diese Punkte, unabhängig davon, wie weit sie im Gitter entfernt sind. Das ist der magnetische Zustand – der Festkörper in unserer Analogie. Wenn man sich erwärmt, werden die Dipole schließlich völlig unabhängig oder zufällig zueinander. Das ist bekannt als Paramagnet, und es ist analog zu einem Gas.“
Nevidomskyy sagte, dass Physiker normalerweise an Materialien denken, die entweder magnetische Ordnung haben oder nicht.
„Eine bessere Analogie aus klassischer Sicht wäre ein Trockeneisblock“, sagte er. „Es vergisst irgendwie die flüssige Phase und geht direkt vom Eis ins Gas über. So sehen magnetische Übergänge normalerweise in den Lehrbüchern aus. Uns wird beigebracht, dass man mit etwas Korreliertem beginnt, sagen wir einem Ferromagneten, und irgendwann mit dem Ordnungsparameter.“ verschwindet und am Ende entsteht ein Paramagnet.
Tanatar, ein Forschungswissenschaftler am Ames‘ Supraconductivity and Magnetism Low-Temperature Laboratory, hatte Anzeichen dafür gefunden, dass der Übergang von der magnetischen Ordnung zur Unordnung in Spiralmagneten durch eine Übergangsphase gekennzeichnet war, in der sich elektronische Eigenschaften, wie etwa der Widerstand, je nach Richtung unterschieden. Sie können beispielsweise unterschiedlich sein, wenn sie horizontal von einer Seite zur anderen und nicht vertikal von oben nach unten gemessen werden. Dieses Richtungsverhalten, das Physiker Anisotropie nennen, ist ein Kennzeichen vieler Quantenmaterialien wie Hochtemperatursupraleiter.
„Diese geschichteten Materialien sehen in vertikaler und horizontaler Richtung nicht gleich aus“, sagte Nevidomskyy. „Das ist die Anisotropie. Makariys Intuition war, dass Anisotropie die Art und Weise beeinflusst, wie der Magnetismus im Material schmilzt, und unsere Modellierung hat gezeigt, dass das wahr ist und warum es passiert.“
Das Modell zeigte, dass das Material beim Übergang von der magnetischen Ordnung zur Unordnung eine Zwischenphase durchläuft. In dieser Phase sind die Dipolwechselwirkungen innerhalb der Schichten viel stärker als zwischen ihnen. Darüber hinaus ähnelten die Korrelationen zwischen den Dipolen denen einer Flüssigkeit und nicht denen eines Feststoffs. Das Ergebnis seien „abgeflachte Pfützen magnetischer Flüssigkeiten, die wie Pfannkuchen gestapelt sind“, sagte Nevidomskyy. In jedem pfützenartigen Pfannkuchen zeigen die Dipole ungefähr in die gleiche Richtung, aber dieser Richtungssinn variiert zwischen benachbarten Pfannkuchen.
„Es ist eine Ansammlung von Atomen, deren Dipole alle in die gleiche Richtung zeigen“, sagte Nevidomskyy. „Aber wenn man eine Ebene nach oben geht, zeigen alle in eine andere zufällige Richtung.“
Die atomare Anordnung im Material „frustriert“ die Dipole und verhindert, dass sie sich im gesamten Material in einer einheitlichen Richtung ausrichten. Stattdessen verschieben sich die Dipole in den Schichten und rotieren leicht als Reaktion auf Veränderungen in benachbarten Pfannkuchen.
„Frustrationen machen es den Pfeilen, diesen magnetischen Dipolen, schwer zu entscheiden, wohin sie zeigen wollen, in dem einen oder anderen Winkel“, sagte Nevidomskyy. „Und um diese Frustration zu lindern, neigen sie dazu, sich in jeder Schicht zu drehen und zu verschieben.“
Tanatar sagte: „Die Idee ist, dass es zwei konkurrierende magnetische Phasen gibt. Sie bekämpfen sich gegenseitig, und als Ergebnis haben Sie eine Übergangstemperatur für diese Phasen, die niedriger ist, als es ohne Konkurrenz der Fall wäre. Und in diesem Wettbewerbsszenario ist die Phänomene, die zu magnetischer Ordnung führen, unterscheiden sich von den Phänomenen, wenn es diese Konkurrenz nicht gibt.“
Tanatar und Nevidomskyy sagten, dass es für die Entdeckung zwar keine unmittelbare Anwendung gebe, sie aber dennoch Hinweise auf die noch ungeklärte Physik anderer anisotroper Materialien wie Hochtemperatursupraleiter geben könne.
Trotz des Namens tritt Hochtemperatursupraleitung bei sehr kalten Temperaturen auf. Eine Theorie besagt, dass Materialien zu Supraleitern werden können, wenn sie in der Nähe eines quantenkritischen Punktes abgekühlt werden, einer Temperatur, die ausreicht, um die magnetische Fernordnung zu unterdrücken und durch starke Quantenfluktuationen hervorgerufene Effekte hervorzurufen. Beispielsweise wurde gezeigt, dass mehrere magnetische „Muttermaterialien“ Supraleitung nahe einem quantenkritischen Punkt aufweisen, an dem der Magnetismus verschwindet.
„Wenn man den Haupteffekt, die magnetische Fernordnung, unterdrückt, kann es zu schwächeren Effekten wie der Supraleitung kommen“, sagte Tanatar. „Dies ist eine der führenden Theorien zur unkonventionellen Supraleitung. In unserer Studie zeigen wir, dass man dasselbe auf andere Weise tun kann, mit Frustration oder konkurrierenden Wechselwirkungen.“
Butcher führte die Monte-Carlo-Berechnungen als Doktorand durch. Student in Nevidomskyys Forschungsgruppe. Er promovierte 2022 bei Rice und ist heute Ingenieurwissenschaftler an den Applied Research Laboratories der University of Texas in Austin.
Die Forschung wurde von der Welch Foundation (C-1818), von der Material Sciences and Engineering Division des Basic Energy Sciences-Programms des Department of Energy (DE-AC02-07CH11358) und der National Science Foundation (1917511, 1607611, 1338099) unterstützt. Die Computerarbeit wurde vom Center for Research Computing der Rice University unterstützt.
