Studiuesit demonstrojnë se si magnetizmi mund të ndryshohet në mënyrë aktive nga presioni

Magnetizmi ndodh në varësi të mënyrës se si sillen elektronet. Për shembull, grimcat elementare mund të gjenerojnë një rrymë elektrike me ngarkesën e tyre dhe në këtë mënyrë të nxisin një fushë magnetike. Sidoqoftë, magnetizmi mund të lindë gjithashtu përmes shtrirjes kolektive të momenteve magnetike (rrotullimeve) në një material. Ajo që nuk ka qenë e mundur deri më tani, megjithatë, është ndryshimi i vazhdueshëm i llojit të magnetizmit në një kristal.

Një ekip ndërkombëtar hulumtues i udhëhequr nga profesori i TU Wien Andrej Pustogow tani ka arritur të bëjë pikërisht këtë: Ndryshimi i magnetizmit “duke shtypur një buton”. Për këtë, ekipi ndryshoi vazhdimisht ndërveprimet magnetike në një kristal të vetëm duke ushtruar presion. Studiuesit publikuan së fundi rezultatet e tyre në Physical Review Letters .

Njerëzit kanë qenë të magjepsur nga magnetizmi për mijëra vjet dhe ai ka bërë të mundur shumë aplikime teknike në radhë të parë. Nga busullat dhe motorët elektrikë te gjeneratorët – këto dhe pajisje të tjera nuk do të ekzistonin pa ferromagnetizëm.

Ndërsa ferromagnetizmi tashmë është studiuar mirë, kërkimet themelore janë gjithnjë e më të interesuara për format e tjera të magnetizmit. Këto janë me interes të veçantë për ruajtjen e sigurt të të dhënave dhe si platforma të mundshme për kompjuterët kuantikë. “Megjithatë, kërkimi i formave të reja të magnetizmit dhe kontrollimi i tyre plotësisht është një përpjekje jashtëzakonisht e vështirë,” thotë drejtuesi i studimit Andrej Pustogow.

Rrotullimet mund të vizualizohen si gjilpëra të vogla busull që mund të rreshtohen në një fushë magnetike të jashtme dhe të kenë vetë një fushë magnetike. Në rastin e ferromagnetizmit, i cili përdoret në magnet të përhershëm, të gjitha rrotullimet e elektroneve rreshtohen paralelisht me njëri-tjetrin. Në disa rregullime të rrotullimeve të elektroneve, për shembull në rrjeta kristalore të zakonshme katrore, të tipit shahu, është gjithashtu i mundur një rreshtim anti-paralel i rrotullimeve: Rrotullimet fqinje gjithmonë drejtohen në mënyrë alternative në drejtime të kundërta .

Me grilat trekëndore (ose grilat në të cilat ndodhin struktura trekëndore, të tilla si rrjeta më komplekse kagome ), një rregullim plotësisht antiparalel nuk është i mundur: Nëse dy qoshet e një trekëndëshi kanë drejtime të kundërta rrotullimi, ana e mbetur duhet të përputhet me një nga dy drejtimet. . Të dy opsionet – rrotullimi lart ose rrotullimi – atëherë janë saktësisht ekuivalente.

“Kjo mundësi e alternativave të shumta identike njihet si ” zhgënjim gjeometrik ” dhe ndodh në strukturat kristalore me rrotullime elektronesh të rregulluara në rrjeta trekëndore, kagome ose huall mjalti,” shpjegon fizikani i gjendjes së ngurtë Pustogow. Si rezultat, formohen çifte rrotullimesh të rregulluara rastësisht, me disa rrotullime që nuk gjejnë fare një partner.

“Momentet magnetike të paçiftuara të mbetura mund të ngatërrohen me njëri-tjetrin, të manipulohen me fusha magnetike të jashtme dhe kështu të përdoren për ruajtjen e të dhënave ose operacionet llogaritëse në kompjuterët kuantikë,” thotë Pustogow.

“Në materialet reale, ne jemi ende larg një gjendjeje të tillë zhgënjimi ideal. Para së gjithash, ne duhet të jemi në gjendje të kontrollojmë saktësisht simetrinë e rrjetës kristalore dhe kështu vetitë magnetike,” thotë Pustogow. Edhe pse materialet me zhgënjim të fortë gjeometrik tashmë mund të prodhohen, një ndryshim i vazhdueshëm nga zhgënjimi i dobët në të fortë dhe anasjelltas nuk ka qenë ende i mundur, veçanërisht jo në të njëjtin kristal.

Për të ndryshuar magnetizmin në materialin e hetuar “duke shtypur një buton”, studiuesit e vunë kristalin nën presion. Duke u nisur nga një strukturë kagome, rrjeta kristalore u deformua nga stresi njëaksial, i cili ndryshoi ndërveprimet magnetike midis elektroneve.

“Ne përdorim presionin mekanik për të detyruar sistemin në një drejtim magnetik të preferuar. Si ndonjëherë në jetën reale, stresi redukton zhgënjimin sepse një vendim na detyrohet dhe ne nuk duhet ta marrim vetë”, thotë Pustogow.

Ekipi arriti të rriste temperaturën e tranzicionit të fazës magnetike me më shumë se 10%. “Kjo mund të duket jo shumë në shikim të parë, por nëse pika e ngrirjes së ujit do të rritej me 10%, për shembull, ai do të ngrinte në 27°C – me pasoja të rënda për botën siç e njohim ne,” shpjegon Pustogow.

Ndërsa në rastin aktual, zhgënjimi gjeometrik u reduktua nga presioni mekanik, ekipi hulumtues tani po synon një rritje të zhgënjimit në mënyrë që të eliminojë plotësisht antiferromagnetizmin dhe të realizojë një lëng të rrotullimit kuantik siç përshkruhet më sipër. “Mundësia e kontrollit aktiv të zhgënjimit gjeometrik përmes stresit mekanik njëaksial hap derën për manipulime të padëshiruara të vetive të materialit ‘duke shtypur një buton'”, thotë Pustogow.