Fizikantët gjejnë valë të pazakonta në magnetin me bazë nikelin

Rrotullimet shqetësuese të elektroneve në një magnet zakonisht rezulton në ngacmime të quajtura “valë rrotulluese” që valëzohen përmes magnetit si valët në një pellg që është goditur nga një guralec. Në një studim të ri, fizikanët e Universitetit Rajs dhe bashkëpunëtorët e tyre kanë zbuluar ngacmime dramatike të ndryshme të quajtura “eksitone spin” që gjithashtu mund të “valëzohen” përmes një magneti me bazë nikeli si një valë koherente.

Në një studim të botuar në Nature Communications, studiuesit raportuan se gjetën veti të pazakonta në molibdatin e nikelit, një kristal magnetik me shtresa. Grimcat nënatomike të quajtura elektrone ngjajnë me magnet të vegjël dhe ato zakonisht orientohen si gjilpëra busullash në lidhje me fushat magnetike. Në eksperimentet ku neutronet u shpërndanë nga jonet magnetike të nikelit brenda kristaleve, studiuesit zbuluan se dy elektronet më të jashtme nga secili jon i nikelit silleshin ndryshe. Në vend që të rreshtonin rrotullimet e tyre si gjilpërat e busullës, të dy anuluan njëri-tjetrin në një fenomen që fizikanët e quajnë një rrotullim singlet.

“Një substancë e tillë nuk duhet të jetë aspak një magnet”, tha Pengcheng Dai nga Rice, autori përkatës i studimit. “Dhe nëse një neutron shpërndan një jon të caktuar nikeli, ngacmimet duhet të mbeten lokale dhe të mos përhapen përmes mostrës.”

Prandaj, Dai dhe bashkëpunëtorët e tij u befasuan kur instrumentet në eksperimentet e shpërndarjes së neutroneve zbuluan jo një, por dy familje valësh përhapëse, secila me energji dramatike të ndryshme.

Për të kuptuar origjinën e valëve, ishte e nevojshme të thellohej në detajet atomike të kristaleve magnetike. Për shembull, forcat elektromagnetike nga atomet në kristale mund të konkurrojnë me fushën magnetike dhe të ndikojnë në elektronet brenda atomeve fqinje. Ky quhet efekti i fushës kristalore dhe mund të detyrojë rrotullimet e elektroneve të orientohen përgjatë drejtimeve të ndryshme nga orientimi i fushës magnetike. Hetimi i efekteve të fushës kristalore në kristalet e molibdatit të nikelit kërkonte eksperimente shtesë dhe interpretim teorik të të dhënave nga eksperimentet.

“Bashkëpunimi midis grupeve eksperimentale dhe teorisë është thelbësor për të pikturuar një pamje të plotë dhe për të kuptuar ngacmimet e pazakonta të rrotullimit të vërejtura në këtë kompleks,” tha bashkëautorja e Rice Emilia Morosan.

Grupi i Morosan-it hetoi përgjigjen termike të kristaleve ndaj ndryshimeve të temperaturës duke përdorur matje specifike të nxehtësisë. Nga ato eksperimente, studiuesit arritën në përfundimin se dy lloje të mjediseve të fushës kristal ndodhën në molibdatin e shtresës së nikelit dhe të dy ndikuan shumë ndryshe në jonet e nikelit.

“Në njërën, efekti i fushës është mjaft i dobët dhe korrespondon me një energji termike prej rreth 10 Kelvin,” tha bashkëautori i studimit Andriy Nevidomskyy, një fizikant teorik në Rice, i cili ndihmoi në interpretimin e të dhënave eksperimentale. “Ndoshta nuk është befasuese të shohësh, në temperatura të pakta Kelvin, që neutronet mund të nxisin valët rrotulluese magnetike nga atomet e nikelit që i nënshtrohen këtij lloji të parë të efektit të fushës kristalore. Por është më e çuditshme t’i shohësh ato që vijnë nga atomet e nikelit. i nënshtrohen llojit të dytë. Ata atome kanë një rregullim tetraedral të oksigjenit rreth tyre dhe efekti i fushës elektrike është gati 20 herë më i fortë, që do të thotë se ngacmimet janë shumë më të vështira për t’u krijuar.”

Nevidomskyy tha se kjo mund të kuptohet sikur rrotullimet në jonet përkatëse të nikelit të kishin “masë” të ndryshme.

“Analogjia është ajo e topave të basketbollit të rëndë që përzihen me topa tenisi,” tha ai. “Për të ngacmuar rrotullimet e llojit të dytë, topat më të rëndë të basketbollit, duhet të administrohet një ‘goditje’ më e fortë duke ndriçuar neutrone më energjike në material.”

Efekti që rezulton në rrotullimin e nikelit quhet një eksiton spin, dhe normalisht mund të pritet që efekti i “goditjes” që prodhon eksiton të kufizohet në një atom të vetëm. Por matjet nga eksperimentet treguan se “topat e basketbollit” po lëviznin në unison, duke krijuar një lloj valë të papritur. Edhe më befasuese, valët dukej se vazhdonin në temperatura relativisht të larta ku kristalet nuk silleshin më si magnet.

Shpjegimi i ofruar nga Nevidomskyy dhe teoricieni, bashkëautori Leon Balents nga Universiteti i Kalifornisë, Santa Barbara ishte se eksitonet me rrotullim më të rëndë – topat e basketbollit në analogji – bob në përgjigje të luhatjeve të eksitoneve magnetike përreth, më të lehta – topat analogë të tenisit – dhe nëse ndërveprimet midis dy llojeve të topave janë mjaftueshëm të forta, eksitonet e rrotullimit më të rëndë marrin pjesë në një lëvizje koherente të ngjashme me një valë.

“Ajo që është veçanërisht interesante,” tha Dai, “është se dy llojet e atomeve të nikelit formojnë secili një rrjetë trekëndore, dhe ndërveprimet magnetike brenda kësaj grilë janë të frustruar.”

Në magnetizëm në grilat trekëndore, zhgënjimi i referohet vështirësisë në rreshtimin e të gjitha momenteve magnetike anti-paralele (lart-poshtë) në lidhje me tre fqinjët e tyre të menjëhershëm, më të afërt.

Të kuptuarit e rolit të frustrimeve magnetike në rrjetat trekëndore është një nga sfidat e kahershme që Dai dhe Nevidomskyy kanë punuar të dy për të trajtuar për disa vite.

“Është shumë emocionuese të gjesh një enigmë, kundër pritshmërive të dikujt, dhe më pas të ndjesh një ndjenjë kënaqësie për të kuptuar origjinën e saj”, tha Nevidomskyy.

Dai, Morosan dhe Nevidomskyy janë anëtarë të Rice Quantum Initiative. Dai është Sam dhe Helen Worden profesor i fizikës dhe astronomisë. Morosan është profesor i fizikës dhe astronomisë dhe i kimisë. Nevidomskyy është profesor i asociuar i fizikës dhe astronomisë. Eksperimentet e shpërndarjes së neutronit u kryen nga Bin Gao dhe Tong Chen në grupin e Dait në bashkëpunim me shkencëtarët e instrumenteve në Laboratorin Kombëtar Oak Ridge dhe Burimi Neutron dhe Muon ISIS në Laboratorin Rutherford Appleton. Chien-Lung Huang, një shkencëtar hulumtues në grupin e Morosan, kreu matjet dhe analizat specifike të nxehtësisë.