La spettroscopia muonica è un'importante tecnica sperimentale che gli scienziati utilizzano per studiare le proprietà magnetiche dei materiali. Si basa sull'"impianto" di un muone con spin polarizzato nel cristallo e sulla misurazione di come il suo comportamento è influenzato dall'ambiente circostante.
La tecnica si basa sull'idea che il muone occuperà un sito ben identificato, determinato principalmente dalle forze elettrostatiche, e che può essere trovato calcolando la struttura elettronica del materiale.
Ma un nuovo studio condotto da scienziati in Italia, Svizzera, Regno Unito e Germania ha scoperto che, almeno per alcuni materiali, questa non è la fine della storia:il sito dei muoni può cambiare a causa di un effetto ben noto ma precedentemente trascurato, magnetostrizione.
Pietro Bonfà dell'Università di Parma, autore principale dello studio pubblicato su Physical Review Letters , spiega che il suo gruppo e i colleghi dell'Università di Oxford (Regno Unito) utilizzano simulazioni della teoria del funzionale densità (DFT) da almeno un decennio per trovare siti di muoni.
"Abbiamo iniziato con casi complicati, come quello dell'ossido di europio e dell'ossido di manganese, e in entrambi i casi non siamo riusciti a trovare un modo ragionevole per conciliare le previsioni DFT e gli esperimenti", afferma.
"Abbiamo poi testato sistemi più semplici e abbiamo avuto molte previsioni riuscite, ma quei due casi ci davano davvero fastidio. Questi composti dovevano essere facili e invece si sono rivelati super complicati e non capivamo cosa stesse succedendo. L'ossido di manganese è un caso da manuale di un sistema antiferromagnetico e non siamo riusciti a spiegare i risultati della spettroscopia muonica, il che è stato un po' imbarazzante."
Il problema, spiega, era la contraddizione tra l'aspettativa di trovare il muone in una posizione di alta simmetria, e la sua ben nota tendenza a creare legami con atomi di ossigeno. L'ordine antiferromagnetico del materiale riduce la simmetria e la posizione vicina agli atomi di ossigeno diventa incompatibile con gli esperimenti.
Bonfà sospettò che la spiegazione potesse essere legata al materiale sottoposto a transizione di fase magnetica e iniziò a provare a riprodurre il fenomeno in simulazioni di ossido di manganese.
"Poiché si tratta di un sistema complicato, è necessario aggiungere alcune correzioni al DFT, come il parametro U di Hubbard", ha affermato. "Ma stavamo scegliendo il suo valore in modo empirico e, quando lo fai, hai molta incertezza e i risultati possono cambiare radicalmente a seconda del valore scelto."
Tuttavia, le simulazioni iniziali di Bonfà suggerivano che le posizioni dei muoni potrebbero essere guidate dalla magnetostrizione, un fenomeno che fa sì che un materiale cambi forma e dimensioni durante la magnetizzazione. Per dimostrarlo oltre ogni dubbio, ha collaborato con i laboratori MARVEL dell'EPFL e del PSI di Nicola Marzari e Giovanni Pizzi.
"Abbiamo utilizzato un metodo all'avanguardia chiamato DFT+U+V, che è stato molto importante per rendere le simulazioni più accurate", spiega Iurii Timrov, scienziato del Laboratorio per le simulazioni dei materiali del PSI e coautore dello studio. studiare.
Questo metodo può essere utilizzato con i parametri Hubbard U in loco e V intersito che vengono calcolati dai principi primi invece di essere scelti empiricamente, grazie all'uso della teoria delle perturbazioni densità-funzionali per DFT+U+V che è stata sviluppata all'interno di MARVEL e implementata nel progetto Pacchetto Quantum ESPRESSO.
"Sebbene avessimo già capito che era in gioco la magnetostrizione, avere le informazioni corrette sugli elementi costitutivi della simulazione era molto importante, e questo deriva dal lavoro di Iurii", aggiunge Bonfà.
Alla fine, la soluzione del puzzle era relativamente semplice:la magnetostrizione, che è l’interazione tra i gradi di libertà magnetici ed elastici nel materiale, provoca una transizione di fase magnetica in MnO a 118K, in cui il sito del muone cambia. Al di sopra di tale temperatura, il muone viene delocalizzato attorno a una rete di siti equivalenti, il che spiega il comportamento insolito osservato negli esperimenti ad alte temperature.
Gli scienziati si aspettano che lo stesso possa valere anche per molti altri ossidi magnetici strutturati con salgemma.
In futuro, spiega Timrov, il gruppo vuole continuare a studiare lo stesso materiale includendo anche gli effetti della temperatura, utilizzando un'altra tecnica avanzata sviluppata in MARVEL e chiamata approssimazione armonica stocastica autoconsistente.
Inoltre, e in collaborazione con il gruppo di Giovanni Pizzi presso l'Istituto Paul Scherrer, questo approccio sarà reso disponibile alla comunità attraverso l'interfaccia AiiDAlab, in modo che tutti gli sperimentali possano utilizzarlo per i propri studi.
Ulteriori informazioni: Pietro Bonfà et al, Localizzazione di muoni guidata dalla magnetostrizione in un ossido antiferromagnetico, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.046701
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dal Centro nazionale di competenza nella ricerca (NCCR) MARVEL
