Исследователи изменили магнитные свойства экзотического материала

Некоторые кристаллы, вещества показывают свою степень “разочарования”, также, как и люди. Хлорид цезия-меди является ярким примером. Его магнитные моменты атомов меди находятся в вершинах треугольной решетки и стремятся выровнять себя антипараллельно друг другу. Однако в треугольнике это не работает.

Это геометрическое “разочарование” (дефекты) бросает вызов физикам. В конце концов понимание этого процесса обещает открытие новых магнитных явлений, которые могут даже использоваться для квантовых компьютеров в будущем. Чтобы лучше изучить и понять основные принципы, физики из Гельмгольца-Центра Дрездена-Россендорфа (HZDR) в Германии при поддержке японских и американских коллег теперь могут управлять магнитной связью, используя элегантный метод измерения.

«Наша цель - детально выяснить сложные квантовые процессы в геометрически расстроенных кристаллах», - сообщил доктор Сергей Звягин из Дрезденской лаборатории сильных магнитных полей в HZDR. Теорий о магнитном поведении таких кристаллов предостаточно. Но до сих пор отсутствуют сложные эксперименты для проверки этих теорий на самом объекте - веществе. Для этого нужно изменить силу взаимодействия между магнитными атомами.

Физики во многих лабораториях часто выбирают довольно утомительный путь: они создают кристаллы с геометрическим дефектами в несколько ином химическом составе. Это изменяет магнитное взаимодействие между элементарными магнитами, но иногда также - непреднамеренно саму кристаллическую структуру. Звягин оставил этот кропотливый, чисто химический путь. Вместо этого он использовал высокое давление. В этих условиях сила сцепления магнитных спинов может изменяться почти непрерывно.

«С помощью нового метода мы можем контролировать параметры связи внутри кристалла и одновременно измерять влияние на его магнитные свойства», - сообщил Сергей Звягин. Он получил кристаллы ССС (Cesium copper chloride) для своих экспериментов от группы исследователей доктора Хидэказу Танака в Токийском технологическом институте. С длиной ребра (стороны треугольника как усредненной пространственной модели взаимодействия магнитных моментов атомов) всего несколько миллиметров и их мерцающей оранжевой прозрачностью они больше напоминают яркие гранатовые камни, чем искусственные кристаллы, выращенные в лаборатории.

Также в Японии, в университете Тохоку в Сендае, Звягин и его коллеги поместили кристаллы под пресс высокого давления с поршнями из высокопрочного оксида циркония. Исследователи постепенно увеличили давление примерно до двух гигапаскалей - давление, подобное тому, которое оказывает вес автомобиля на поверхность размером с цветной цветной карандаш.

«Под этим давлением расстояния между атомами изменились очень мало», - рассказал Звягин. «Но магнитные свойства кристалла резко изменились».

Исследователи смогли измерить эти изменения непосредственно с помощью электронного спинового резонанса (ЭПР). Они определили коэффициент пропускания света (или, точнее, микроволн) в очень сильном внешнем магнитном поле до 25 Тесла - примерно в полмиллиона раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Кроме того, кристалл должен был быть глубоко заморожен – минимум до -271 градуса Цельсия, почти до абсолютного нуля, чтобы избежать мешающих эффектов, вызванных тепловым излучением.

Эти измерения в сильном внешнем магнитном поле показали очень необычные магнитные свойства материала. Исследователи смогли изменить силу связи между соседними магнитными спинами, изменив давление. Дальнейшие измерения с использованием дополнительного метода исследования материалов - метод туннельного диодного генератора (TDO) - дополнили эти результаты. Измерения TDO были проведены - также при высоких давлениях и в сильных магнитных полях - в Университете штата Флорида в Таллахасси.

Кроме того, Звягин и его коллеги нашли доказательства того, что CCC под высоким давлением демонстрирует каскад возникновения новых фаз с увеличивающимся магнитным полем, отсутствующий при нулевом давлении. «Благодаря этим измерениям мы стали еще ближе на шаг к лучшему пониманию разнообразия этих фаз», - сообщил профессор Йоахим Восниц, руководитель Дрезденской лаборатории сильных магнитных полей.

Йоахим Восниц также видит большой потенциал в экзотических магнитных свойствах этих кристаллов.

«Можно представить долгоживущие квантовые системы, в которых магнитные спины могут использоваться контролируемым образом», - сообщил Восница.

«Однако пока нельзя ожидать, приведет ли это к квантовому компьютеру или специальному датчику».

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Пояснения к изображениям:

Рисунок 1.

(а) зависимости частоты от напряженности магнитного поля (b) зависимость длительности переключения магнитных мод при постоянном давлении в зависимости от напряженности магнитного поля.

Рисунок 2.

(а) зависимость частоты в соответствии с изменением напряженности магнитного поля (b) зависимость аномальных частот при приложенном давлении при изменении напряженности магнитного поля.

Источник:

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190424153514.htm

Источник: www.sciencedaily.com

Комментарии: