Uusi harppaus kohti magneettien ominaisuuksien äärimmäisen tarkkaa hallintaa

Magneettiset materiaalit ovat keskeinen osa modernia teknologiaa, ja niitä hyödynnetään esimerkiksi elektronisten laitteiden magneettimuisteissa. Turhautuneet magneetit (frustrated magnets) ovat matalassa lämpötilassa magneettisuutensa kadottavia materiaaleja, jotka voivat toimia alustana jopa fraktionaaliselle materialle. Fraktionaalisen materian uskotaan toimivan yhtenä tulevaisuuden kvanttitietokoneiden rakenneosista.

Tällaisten tilojen materiaalien suunnittelu edellyttää kuitenkin äärimmäisen tarkkaa magneettisen aineen mikroskooppisten ominaisuuksien hallintaa, mikä onkin yksi materiaalitieteen suurista, ratkaisemattomista ongelmista.

Nyt Boston Collegen (Yhdysvallat), University of Texasin (Yhdysvallat) ja Aalto-yliopiston tutkijoista koostunut monialainen ryhmä on esitellyt uuden tekniikan kerroksittaisten magneettien mikroskooppisten ominaisuuksien hallintaan. Tutkimuksessa oli mukana kaksi tutkimusryhmää, joita johtivat Julia Chan ja Fazel Tafti ja joihin kuuluivat Thomas Tartaglia, Joseph Tang, Faranak Bahrami, Mykola Abramchuk, Gregory McCandless, Meaghan Doyle, Kenneth Burch ja Ying Ran. Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen apulaisprofessori Jose Lado tarjosi tutkimukseen tarvittua teoreettista osaamista.

Magneettisten materiaalien ominaisuuksia ohjataan yleensä korvaamalla tiettyjä magneettisia atomeita toisilla. Tällä tekniikalla ei kuitenkaan saavuteta äärimmäisen tarkkaa hallintaa, jota tarvitaan, kun tiettyjä magneetteja halutaan ohjata kohti kvanttiturhautunutta tilaa. Magneettisia ja ei-magneettisia aineksia sisältävissä yhdisteissä ei-magneettinen aines toimii usein magneettisen vuorovaikutuksen välittäjänä. Ilmiötä kutsutaan super-exchange-vuorovaikutukseksi. Kun raskaissa alkuaineissa ilmenevä suhteellisuusteoreettinen vaikutus, eli spin-ratavaikutus, on tarkoin säädetty, super-exchange-vuorovaikutus saattaa johtaa turhautuneisiin tiloihin, mikä lopulta synnyttää fraktionaalista materiaa.

Äskettäin Science Advances -lehdessä julkaistussa, uraauurtavassa tutkimuksessa ryhmä esittelee uuden keinon hallita van der Waals -magneettien mikroskooppisia ominaisuuksia hyödyntämällä ei-magneettisen alkuaineen spin-ratakytkentää. He osoittavat, miten keskenään eri ”raskautta” edustavista ei-magneettisista elementeistä on mahdollista luoda magneettiin kerroksia. Teoreettiset ennusteet osoittivat, että spin-ratavaikutusten jatkuva säädettävyys kyseisissä seoksissa ohjaa yhdisteen magneettista tilaa kahden rajan välillä. Kokeellisesti havaittiin niille ominainen erilainen magneettisen symmetrian murtuminen.

Kokeissa saatiin myös vahvaa näyttöä turhautuneesta tilasta kahden rajan välisessä käännekohdassa.

Tulosten pohjalta tutkijat kehittivät uuden tekniikan magnetismin hallitsemiseen kerroksittaisissa materiaaleissa kemiallisen spin-ratasuunnittelun avulla. Tutkimus avaa merkittäviä uusia mahdollisuuksia luoda van der Waals -magneetteja, joiden vuorovaikutukset ovat hallittavissa, mikä voi lopulta tarjota uuden keinon suunnitella eksoottisia turhautuneita van der Waals -kvanttimagneetteja.

Linkki artikkeliin