Блог

Aug 20, 2023

Физики обнаружили «сложенные друг на друга блины жидкого магнетизма»

Физики обнаружили «сложенные друг на друга блины жидкого магнетизма», которые могут

Физики обнаружили «сложенные друг на друга блины жидкого магнетизма», которые могут объяснить странное электронное поведение некоторых слоистых спиральных магнитов.

Исследуемые материалы магнитны при низких температурах и становятся немагнитными при оттаивании. Физик-экспериментатор Макарий Танатар из Национальной лаборатории Эймса в Университете штата Айова заметил загадочное электронное поведение в слоистых гелимагнитных кристаллах и довел эту загадку до сведения физика-теоретика Райса Андрея Невидомского, который работал с Танатаром и бывшим аспирантом Райса Мэтью Батчером над созданием вычислительной модели. которые моделировали квантовые состояния атомов и электронов в слоистых материалах.

Магнитные материалы претерпевают «оттаивающий» переход, когда они нагреваются и становятся немагнитными. Исследователи провели тысячи компьютерных симуляций этого перехода в гелимагнетиках методом Монте-Карло и наблюдали, как магнитные диполи атомов внутри материала располагаются во время оттаивания. Их результаты были опубликованы в недавнем исследовании Physical Review Letters.

На субмикроскопическом уровне исследуемые материалы состоят из тысяч 2D-кристаллов, сложенных друг на друга, как страницы в блокноте. В каждом кристаллическом листе атомы расположены в виде решеток, и физики смоделировали квантовые взаимодействия как внутри листов, так и между ними.

"Мы привыкли думать, что если взять твердое вещество, например глыбу льда, и нагреть его, то со временем оно станет жидкостью, а при более высокой температуре оно испарится и превратится в газ", - сказал Невидомский. , доцент кафедры физики и астрономии и член Квантовой инициативы Райса. «Подобную аналогию можно провести и с магнитными материалами, за исключением того, что ничего не испаряется в истинном смысле этого слова.

«Кристалл все еще цел», — сказал он. «Но если вы посмотрите на расположение маленьких магнитных диполей, которые похожи на стрелки компаса, они начинаются в коррелированном расположении, а это означает, что если вы знаете, в какую сторону указывает один из них, вы можете определить, в какую сторону указывает любой из них. ", независимо от того, как далеко он находится в решетке. Это магнитное состояние - твердое тело в нашей аналогии. По мере нагревания диполи в конечном итоге станут полностью независимыми или случайными по отношению друг к другу. Это известно как парамагнетик. , и это аналог газа».

Невидомский сказал, что физики обычно думают о материалах, либо имеющих магнитный порядок, либо не имеющих его.

«Лучшей аналогией с классической точки зрения была бы глыба сухого льда», — сказал он. «Оно как бы забывает о жидкой фазе и сразу переходит из льда в газ. Именно так обычно в учебниках выглядят магнитные переходы. Нас учат, что начинаешь с чего-то коррелированного, скажем, с ферромагнетика, и в какой-то момент параметр порядка исчезает, и в итоге вы получаете парамагнетик».

Танатар, научный сотрудник низкотемпературной лаборатории сверхпроводимости и магнетизма Эймса, обнаружил признаки того, что переход от магнитного порядка к беспорядку в спиральных магнитах отмечен переходной фазой, в которой электронные свойства, такие как сопротивление, различаются в зависимости от направления. Например, они могли бы отличаться, если бы их измеряли горизонтально, из стороны в сторону, а не вертикально, сверху вниз. Такое направленное поведение, которое физики называют анизотропией, является отличительной чертой многих квантовых материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники.

«Эти слоистые материалы не выглядят одинаково в вертикальном и горизонтальном направлениях», — сказал Невидомский. «Это анизотропия. Интуиция Макария заключалась в том, что анизотропия влияет на то, как магнетизм плавится в материале, и наше моделирование продемонстрировало, что это правда, и показало, почему это происходит».

Модель показала, что материал проходит через промежуточную фазу при переходе от магнитного порядка к беспорядку. В этой фазе дипольные взаимодействия внутри листов гораздо сильнее, чем между ними. Более того, корреляции между диполями напоминали корреляции жидкости, а не твердого тела. В результате получаются «сплющенные лужи магнитных жидкостей, которые складываются, как блины», — сказал Невидомский. В каждом блине, похожем на лужу, диполи направлены примерно в одном и том же направлении, но в соседних блинах это направление различается.