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    Ottenere ordine nel paesaggio frustrato del magnetismo disordinato

    Ricercatori dell'Università di Aarhus, Danimarca, stanno utilizzando la diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory per sviluppare una nuova tecnica per analizzare i materiali che mostrano tipi esotici di comportamento magnetico. Qui è mostrato bixbyite, un minerale di ossido di manganese trovato in Sud Africa, che sperimenta un'insolita transizione di fase magnetica a basse temperature. Attestazione:ORNL/Genevieve Martin

    L'identificazione della struttura magnetica di un materiale è la chiave per sbloccare nuove funzionalità e prestazioni più elevate nei dispositivi elettronici. Però, risolvere strutture magnetiche sempre più complesse richiede approcci sempre più sofisticati.

    Ricercatori del Centro per la cristallografia dei materiali dell'Università di Aarhus, Danimarca, stanno sperimentando una nuova tecnica per risolvere strutture magnetiche altamente elaborate utilizzando neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE). Il loro scopo è sviluppare la tecnica, basata sull'analisi matematica di grandi dati di diffrazione tridimensionale, per stabilire un approccio di base che possa essere adattato a un'ampia classe di materiali magnetici con strutture diverse.

    "Nei materiali magnetici, molti degli atomi hanno un momento magnetico, o un giro, che si comporta come un magnete molto piccolo. Nei magneti tipici, come calamite da frigorifero, ognuno di essi è allineato nella stessa direzione e si combinano per formare un momento magnetico più ampio, che ci consente di attaccare le cose al nostro frigorifero. Questo è un esempio di una struttura magnetica ordinata, dove un modello specifico viene ripetuto più e più volte, " ha detto il ricercatore di Aarhus Nikolaj Roth. "Ma siamo più interessati ai sistemi disordinati, o magnetismo frustrato, dove non esiste un ordine magnetico a lungo raggio. Dove non c'è uno schema fisso di giri, che si ripete. È qui che accadono ogni sorta di cose carine".

    Sebbene il magnetismo "frustrato" o disordinato possa sembrare casuale o addirittura caotico, "non è, " ha spiegato Roth. Ci sono correlazioni tra gli spin, anche se solo per una breve distanza, nota come ordine magnetico a corto raggio. Se le proprietà dinamiche del magnetismo frustrato possono essere sfruttate, questi materiali potrebbero essere usati per sviluppare nuova elettronica con capacità tremendamente avanzate. Quella, Certo, dipende dalla capacità di identificare più rapidamente le correlazioni a corto raggio nei materiali magnetici, Più efficiente, e su una scala molto più ampia.

    "Alcuni anni fa, abbiamo sviluppato una nuova tecnica per analizzare i dati che ha permesso di vedere molto facilmente queste correlazioni a corto raggio, " disse Roth.

    Nei primi esperimenti, il team ha calcolato con successo le correlazioni magnetiche in un campione di bixbyite, un materiale di ossido di ferro e manganese trovato nello Utah. In questo esperimento di follow-up, hanno usato la bixbyite dal Sud Africa che ha un diverso rapporto tra manganese e ferro e quindi ha una struttura magnetica leggermente diversa.

    Il gruppo di ricerca, (a sinistra) Kristoffer Holm, Nikolaj Roth, ed Emil Klahn, si trova accanto allo strumento di diffusione di neutroni CORELLI presso la Spallation Neutron Source di ORNL. Attestazione:ORNL/Genevieve Martin

    "Stiamo ricevendo aiuto da Madre Natura in quanto non dobbiamo sintetizzare questi materiali, si trovano semplicemente nel terreno, " ha detto il ricercatore Kristoffer Holm. "Il campione dallo Utah è di circa 50:50 di ferro in manganese, mentre quello del Sud Africa è più simile a 70:30. Sono campioni molto strettamente correlati, e speriamo che possano dirci come le differenze di composizione influenzeranno le loro correlazioni a corto raggio".

    I neutroni sono adatti per studiare il comportamento magnetico perché le particelle stesse agiscono come minuscoli magneti. I neutroni possono penetrare molti materiali più profondamente di altri metodi complementari; e poiché non hanno alcun costo, interagiscono con i campioni senza compromettere o danneggiare il materiale per rivelare informazioni critiche su energia e materia su scala atomica.

    Da soli, le composizioni di puro ferro e puro manganese hanno strutture ordinate a basse temperature, in cui i loro giri sono allineati secondo uno schema ripetitivo specifico. Ma quando sono combinati, diventano disordinati e formano uno stato di "vetro di rotazione" al di sotto di 30 Kelvin (circa meno 400° Fahrenheit), dove uno schema complesso di allineamenti di spin diventa fisso.

    L'ordine magnetico a corto raggio ha un segnale debole ed è difficile da rilevare con gli strumenti convenzionali di diffusione di neutroni. Però, la linea di luce CORELLI presso la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL fornisce un flusso elevato, o un gran numero di neutroni, con un array di rivelatori in grado di acquisire grandi volumi di dati rapidamente e con dettagli senza precedenti. Usando CORELLI, il team è stato in grado di quantificare la struttura magnetica del campione di bixbyite sudafricano per effettuare confronti tra esso e la struttura atomica del materiale.

    "CORELLI è l'unico strumento al mondo che potrebbe fare questo esperimento nel modo in cui abbiamo bisogno che sia fatto. Ci permette di misurare in tutte le direzioni, anche ad alti angoli, e lo fa molto velocemente, che è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno per la tecnica che stiamo sviluppando, " ha affermato il ricercatore Emil Klahn. "Anche se potessimo farlo in un'altra struttura, ci vorrebbero settimane per fare quello che siamo stati in grado di fare in pochi giorni".

    Il team afferma che con una tecnica completamente sviluppata, potranno studiare materiali simili che esibiscono comportamenti o stati della materia bizzarri e inusuali; i materiali candidati includono liquidi a spin quantistico, ghiaccioli, e superconduttori non convenzionali. A sua volta, queste intuizioni potrebbero portare a un'ampia gamma di applicazioni elettroniche radicalmente avanzate.

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