Un'illustrazione della transizione metamagnetica graduale di un nuovo materiale quantistico scoperto nel laboratorio della fisica di Rice Emilia Morosan. Credito:Macy Stavinoha/Rice University
C'è un eccentrico nella maggior parte delle famiglie, ma il fisico della Rice University Emilia Morosan ha scoperto un intero clan di composti eccentrici che potrebbero aiutare a spiegare i misteriosi meccanismi elettronici e magnetici di altri ingegneri dei materiali quantistici che stanno puntando ai computer e all'elettronica di prossima generazione.
Morosan e 30 coautori descrivono il primo membro della famiglia:un "reticolo Kondo semimetallico" fatto di itterbio, rodio e silicio in un rapporto da 1 a 3 a 7, in uno studio di questa settimana sulla rivista dell'American Physical Society Revisione fisica X ( PRX ). Il documento descrive due proprietà di YbRh 3 si 7 —effetti di "metamagnetismo" e di "kondo a bassa portante"—che raramente sono stati misurati in precedenza nello stesso materiale.
morosa, il cui laboratorio è specializzato nella progettazione, scoperta e sintesi di materiali quantistici, ha creato la nuova famiglia di 1-3-7 con il supporto di Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative (EPiQS) della Gordon and Betty Moore Foundation. Ha detto che pochi 1-3-7 erano stati descritti nella letteratura scientifica prima della sua ricerca finanziata da Moore. Dei numerosi composti della famiglia 1-3-7 scoperti dal suo gruppo, quattro sono magnetici, tre sono a base di itterbio e "ognuno è più sorprendente dell'altro, " lei disse.
"Primo, questo ci dà l'opportunità di capire tutto questo, da soli, e poi comprenderli in relazione l'uno con l'altro, "disse Morosa, che è stato nominato investigatore della sintesi dei materiali EPiQS dalla Moore Foundation nel 2014. "Ad esempio, le differenze strutturali e chimiche tra questi sono molto piccole. I parametri del reticolo sono quasi identici. Ci si aspetterebbe che i cambiamenti fisici sarebbero quindi minimi in questi composti correlati, ma stiamo trovando proprietà magnetiche e di trasporto notevolmente diverse. Se riusciamo a capire perché ciò accade in questa famiglia, potrebbe consentirci di cercare composti con le proprietà che desideriamo".
In YbRh 3 si 7 e tutti gli altri cristalli, gli atomi sono disposti in modo ordinato. Ogni cristallo ha il suo modello strutturale caratteristico, o reticolo. In cristalli contenenti elementi magnetici come ferro o itterbio, la disposizione ordinata degli atomi in un reticolo spesso va di pari passo con l'ordine magnetico.
Per esempio, ogni elettrone si comporta come un minuscolo magnete a barra rotante, con un polo magnetico positivo e negativo alle due estremità del suo asse di rotazione. Il momento magnetico dell'elettrone si riferisce alla direzione in cui punta l'asse di spin, e in elementi come ferro e itterbio, che contengono ciascuno molti elettroni, gli atomi possono avere un forte momento magnetico collettivo. Nei ferromagneti, i materiali attaccati a innumerevoli frigoriferi e automobili, questi momenti magnetici puntano tutti in una direzione. Negli antiferromagneti, come YbRh 3 si 7 , metà dei momenti punta in una direzione e metà nella direzione opposta.
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Per chi studia nuovi materiali magnetici, come YbRh 3 si 7 , un modo per sondare l'ordine magnetico è persuadere i momenti a puntare in un'altra direzione in risposta a un campo magnetico esterno. Misurando la quantità di energia di campo necessaria per cambiare la direzione in cui puntano i momenti magnetici, i fisici possono imparare molto sul ruolo che il reticolo cristallino svolge nel modo in cui i momenti magnetici si esprimono.
Nella maggior parte dei materiali, i momenti magnetici degli atomi ruotano gradualmente verso la direzione del campo esterno all'aumentare dell'intensità. Nei metamagneti, le forze del campo cristallino esercitano una tale trazione che i momenti rimangono bloccati in posizione, anche se viene applicato un campo esterno. Ma quando l'energia del campo raggiunge un livello critico, i momenti si incastrano tutti istantaneamente in una nuova disposizione che è più strettamente allineata al campo. Se l'intensità del campo viene aumentata a sufficienza, i momenti possono essere fatti per allinearsi con il campo, ma "solo attraverso questa progressione di cambiamenti graduali che ricordano la scala di un diavolo, " disse Morosa.
Il ritrovamento delle transizioni metamagnetiche è stato il primo indizio che qualcosa di strano fosse all'opera nella struttura cristallografica di YbRh 3 si 7 .
"Ci sono pochissimi esempi di metamagnetismo nei composti a base di itterbio, ", ha affermato il coautore dello studio Macy Stavinoha, uno studente laureato nel gruppo di Morosan. "Quella transizione ci ha suggerito di osservare la struttura magnetica sottostante, che era abbastanza complicato. Abbiamo dovuto utilizzare una molteplicità di tecniche per confermare ciò che era coinvolto".
L'odissea sperimentale di otto anni per decifrare l'ordine magnetico del materiale è stata guidata dall'ex dottorato di ricerca. studente e co-autore Binod Rai e ha incluso viaggi all'Oak Ridge National Laboratory del Tennessee, Istituto nazionale di standard e tecnologia del Maryland, il Rutherford Appleton Laboratory del Regno Unito, National High Magnetic Field Laboratory della Florida e Los Alamos National Laboratory del New Mexico.
Morosan ha detto che gli esperimenti hanno aiutato il suo team a decifrare la confusa competizione di forze:strutturale, elettronico e magnetico:in gioco in YbRh 3 si 7 .
"Non c'era niente di semplice, nel senso che potresti sederti, guardare i dati di un esperimento e dire immediatamente cosa stava succedendo, " lei disse.
Per esempio, esperimenti hanno mostrato che le transizioni metamagnetiche in YbRh 3 si 7 si è verificato a campi inferiori quando il campo magnetico è applicato perpendicolarmente alla direzione del momento di campo zero. Ciò contrasta con le transizioni metamagnetiche in quasi tutti gli altri composti a base di itterbio, che si verificano quando il campo applicato è parallelo alla direzione del momento. Morosan ha detto che questo indica un delicato equilibrio tra le diverse scale energetiche in YbRh 3 si 7 .
Un altro esempio di scale energetiche in competizione nel materiale può essere visto nella maggiore interazione tra momenti magnetici ed elettroni di conduzione. Questa interazione, noto come "proiezione Kondo, " sorge quando gli elettroni portatori - le particelle che scorrono nella corrente elettrica - interagiscono con gli elettroni allineati magneticamente negli atomi di itterbio. Stavinoha ha detto che è sconcertante perché YbRh 3 si 7 ha una densità di elettroni portatori inferiore rispetto alla maggior parte dei materiali Kondo conosciuti.
"Raramente trovi più sistemi Kondo in una famiglia di composti isostrutturali, " Ha detto Stavinoha. "Nella famiglia 1-3-7, abbiamo scoperto tre di questi sistemi Kondo con proprietà magnetiche ed elettroniche distinte. Quella combinazione di somiglianza strutturale e dissomiglianza delle proprietà fisiche presenta una grande opportunità per studi comparativi".
