Un liquido spin è uno stato speciale della materia che si forma in alcuni materiali magnetici a temperature molto basse. Nonostante il nome, non ha nulla a che fare con i liquidi nel senso quotidiano. Normalmente, in un magnete, gli spin degli elettroni tendono ad allinearsi in un ordine particolare.
Ma in un liquido con spin, a causa della stranezza della meccanica quantistica, gli spin diventano frustrati e rifiutano di stabilirsi in uno schema regolare, anche a temperature molto fredde. L'assenza di parametri di ordine classico rende arduo l'identificazione utilizzando un'unica tecnica. La disponibilità di grandi cristalli singoli consente studi dettagliati come l'anisotropia magnetica e le eccitazioni magnetiche sondate dallo scattering anelastico di neutroni.
Recentemente, uno studio pubblicato su Materials Futures ha riportato la sintesi riuscita di singoli cristalli di PrMgAl11 delle dimensioni di un centimetro O19 , un nuovo candidato liquido con spin basato sul reticolo triangolare.
In questo articolo, gli autori hanno utilizzato la tecnica della zona flottante ottica ad alta pressione per produrre un PrMgAl11 di alta qualità O19 cristallo singolo, che è isostrutturale al suo composto fratello PrZnAl11 O19 che è stato suggerito come candidato liquido per lo spin di Dirac.
La sintesi di un singolo cristallo consente una caratterizzazione dettagliata della struttura utilizzando misurazioni di diffrazione di raggi X da singolo cristallo. Un accurato affinamento rivela una presenza di circa il 7% di disordine al Pr 3+ luogo. Questa è un'informazione importante poiché per composti simili come YbMgGaO4 , il disordine del sito tra Mg e Ga porta il sistema in uno stato di vetro di spin.
Tuttavia, misurazioni magnetiche e termodinamiche su PrMgAl11 O19 indicano l'assenza di un ordine magnetico a lungo raggio e il congelamento dello spin fino a un minimo di 50 mK, anche se con una grande interazione spin-spin, ~ -8 K.
Le misurazioni della magnetizzazione, del campo elettrico cristallino (CEF) e della risonanza di spin elettronico (ESR) indicano inoltre un'anisotropia di Ising con i momenti che puntano fuori dal piano triangolare. Mentre il modello di Heisenberg sul reticolo triangolare di solito porta a uno stato magneticamente ordinato, il modello di Ising può risultare in uno stato liquido con spin macroscopicamente degenerato.
Questo è stato proposto per TmMgGaO4 e NdTa7 O19 ad esempio. Tuttavia, il primo mostra uno stato di ordine parziale inferiore a 0,7 K e la mancanza di un grande cristallo singolo per il secondo ostacola ulteriori studi. Pertanto, la disponibilità di grandi cristalli singoli per PrMgAl11 O19 offre una promettente opportunità per studiare in profondità il modello triangolare di Ising
Negli ultimi anni, ci si è resi conto che il disordine può portare a fasi esotiche come stati singoletti casuali simili a spin-liquido. Comprendere il ruolo del disordine è altrettanto impegnativo quanto produrre cristalli ideali. In questo studio, il disordine si verifica all'interno del sottoreticolo magnetico triangolare, a differenza di YbMgGaO4 dove il disordine è nel sito non magnetico.
La sostituzione di Pr con un altro elemento delle terre rare può provocare diversi gradi di disordine nel sito magnetico. Ciò offre un modo controllabile per manipolare il disordine. La sostituzione degli ioni delle terre rare altererà anche il carattere dello spin locale, fornendo un altro parametro di regolazione del magnetismo.
Con i grandi cristalli singoli e le numerose sostituzioni chimiche disponibili, questo percorso di ricerca è promettente per la scoperta di materiali con proprietà diverse come superconduttività, fenomeni quantistici emergenti e strutture di spin esotiche.
Ulteriori informazioni: Yantao Cao et al, Sintesi, disordine e anisotropia di Ising in un nuovo candidato liquido di spin PrMgAl11O19, Materials Futures (2024). DOI:10.1088/2752-5724/ad4a93
Fornito dal laboratorio dei materiali del lago Songshan
