Paglutas ng 40 Taon na Puzzle sa Likod ng Misteryosong Magnetism ng Iron-Iodide

Ang mananaliksik na si Xiaojian Bai at mga kasamahan ay gumamit ng mga neutron mula sa Spallation Neutron Source ng ORNL upang matuklasan ang mga nakatagong pagbagu-bago ng dami sa isang simpleng materyal na iron-iodide na natuklasan noong 1929. Iminumungkahi ng pananaliksik na maraming mga katulad na magnetikong materyales ang maaaring may mga katangian ng kabuuan na naghihintay na matuklasan. Kredito: ORNL / Genevieve Martin

Ang mga advanced na materyales na may mas bagong mga pag-aari ay halos palaging pinahusay sa pamamagitan ng pagdaragdag ng maraming mga elemento sa listahan ng sangkap. Ngunit ang pananaliksik sa kabuuan ay nagpapahiwatig na ang ilang mga simpleng materyales ay maaaring may mga advanced na pag-aari hanggang ngayon na hindi nakikita ng mga siyentista.

Natuklasan ng mga mananaliksik mula sa Georgia Tech at University of Tennessee-Knoxville University na sa isang simpleng simpleng iron-iodide material (FeIIka-2) ay natuklasan halos isang siglo na ang nakakaraan. Ang mga bagong pananaw sa pananaliksik sa pag-uugali ng materyal ay pinagana gamit ang isang kumbinasyon ng mga neutron na nagkakalat na mga eksperimento at pagkalkula ng teoretikal na pisika sa Kagawaran ng Enerhiya (DOE) na Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Ang mga natuklasan ng koponan – na-publish sa journal Kalikasan Physics– nalulutas ang isang 40 taong gulang na bugtong tungkol sa misteryosong pag-uugali ng materyal at maaaring magamit bilang isang mapa upang ma-unlock ang kayamanan ng mga phenum na phenum sa iba pang mga materyales.

“Ang aming natuklasan ay higit sa lahat dahil sa pag-usisa,” sabi ni Xiaojian Bai, ang unang may-akda ng papel. Nakuha ni Bai ang kanyang PhD sa Georgia Tech at nagtatrabaho bilang isang postdoctoral researcher sa ORNL, kung saan gumagamit siya ng mga neutron upang mag-aral ng mga magnetikong materyales. “Natagpuan ko ang materyal na iron-iodide na ito noong 2019 bilang bahagi ng aking proyektong thesis ng doktor. Sinusubukan kong makahanap ng mga compound na may isang magnetikong tatsulok na pag-aayos ng sala-sala na nagpapakita ng tinatawag na ‘disillusioned magnetism’. “

Sample ng Iron Iodide

Ang isang maliit na sample ng iron-iodide (sa itaas) na hawak ni Bai ay tipunin at inihanda para sa ginamit na mga eksperimento sa neutron na nagkakalat.
upang sukatin ang pangunahing mga magnetikong paggulo ng materyal. Kredito: ORNL / Genevieve Martin

Sa pangkalahatang mga magnet, tulad ng mga magnetong fridge, ang mga electron ng materyal ay nakaayos sa isang linya, tulad ng mga arrow na lahat ay tumuturo sa parehong direksyon (pataas o pababa) o pabalik-balik sa pagitan ng pataas at pababa. Ang mga direksyon na itinuro ng mga electron ay tinatawag na ‘turn’. Ngunit sa mas kumplikadong mga materyales tulad ng iron-iodide, ang mga electron ay nakaayos sa isang tatsulok na grid kung saan ang mga puwersang magnetiko sa pagitan ng tatlong mga magnetikong sandali ay magkasalungat at hindi sigurado kung aling direksyon ang ituturo – samakatuwid, ‘bigong magnetismo’.

“Habang binabasa ang lahat ng panitikan, napansin ko ang iron-iodide, ang tambalang ito na natuklasan noong 1929 at medyo pinag-aralan noong dekada 70 at 80,” sabi ni Bai. Sa oras na iyon, nakita nila ang ilang mga quirks o hindi pangkaraniwang mga pattern ng pag-uugali, ngunit wala talaga silang mapagkukunan upang lubos na maunawaan kung bakit nila ito nakita. Kaya alam namin na may isang bagay na kakaiba at kagiliw-giliw na hindi nalulutas, at kumpara sa apatnapung taon na ang nakalilipas, mayroon kaming mas malakas na mga tool sa pang-eksperimentong, kaya nagpasya kaming muling bisitahin ang problemang ito at inaasahan na magbigay ng ilang bagong impormasyon. “

Ang mga materyales sa dami ay madalas na inilarawan bilang mga system na nagpapakita ng mga kakaibang pag-uugali at hindi sumusunod sa mga batas ng klasikal na pisika – tulad ng isang solidong materyal na kumikilos tulad ng isang likido, gumagalaw tulad ng tubig at tumangging i-freeze o ihinto ang paggalaw nito kahit na sa nagyeyelong temperatura. Ang pag-unawa sa kung paano gumagana ang mga kakaibang kaganapan o mga mekanismo na pinagbabatayan ng mga ito ay susi sa pagbuo ng mga sumusulong na electronics at iba pang mga susunod na henerasyon na teknolohiya.

“Dalawang bagay ang may interes sa mga materyales sa kabuuan: ang mga phase ng bagay tulad ng likido, solido, at gas, at ang paggulo ng mga phase na ito tulad ng mga sound wave. Katulad nito, ang mga spin wave ay mga excitation ng isang solidong solidong materyal, “sabi ni Martin Mourigal, propesor ng pisika sa Georgia Tech. “Sa loob ng mahabang panahon, ang aming paghahanap ng mga materyales sa kabuuan ay upang makahanap ng mga kakaibang yugto, ngunit ang tinanong namin sa aming sarili sa pagsasaliksik na ito ay, ‘Siguro ang yugto mismo ay hindi exotic sa hitsura, ngunit paano kung ang kanilang kaguluhan?’ At iyon talaga ang aming nahanap. “

Ang mga neutron ay mainam na pagsisiyasat para sa pag-aaral ng magnetismo sapagkat sila mismo ay kumikilos tulad ng mga mikroskopiko na magnet at maaaring magamit upang makipag-ugnay at ma-excite ang iba pang mga magnetic particle nang hindi isinasakripisyo ang istraktura ng atomiko ng isang materyal.

Nakilala ni Bai ang mga neutron noong si Mourigal ay isang nagtapos na mag-aaral sa Georgia Tech. Ang Mourigal ay madalas na gumagamit ng neutron na nagkakalat sa High Flux Isotope Reactor ng ORNL (HFIR) at Spallation Neutron Source (SNS) sa loob ng maraming taon, gamit ang mga pasilidad ng gumagamit ng DOE Office of Science upang pag-aralan ang iba’t ibang mga dami ng materyales at kanilang magkakaibang at kakaibang pag-uugali .

Nang mailantad nina Bai at Mourigal ang materyal na iron-iodide sa isang neutron beam, inaasahan nilang makakita ng isang tukoy na paggulo o enerhiya band na nauugnay sa isang magnetikong sandali mula sa isang solong elektron; sa halip ay hindi nila nakita ang isa, ngunit dalawang magkakaibang mga pagbabagu-bago ng kabuuan na nangyayari nang sabay.

“Pinayagan kami ng mga Neutron na makita ang tagong pagbabago-bago na ito nang malinaw na malinaw, at nasusukat namin ang buong spectrum ng paggulo, ngunit hindi pa rin namin maintindihan kung bakit nakita namin ang gayong abnormal na pag-uugali sa isang tila klasikal na yugto,” sabi ni Bai.

Para sa mga sagot, pisikal na pisikal na si Cristian Batista, Propesor ng Pinuno ng Lincoln sa Unibersidad ng Tennessee-Knoxville University at bise presidente ng Shull Wollan Center ng ORNL – isang magkasanib na institusyon para sa mga agham ng neutron na nagbibigay ng karagdagang mga mapagkukunang neutron na nagkakalat at kadalubhasaan sa mga dumadalaw na mananaliksik.

Sa tulong ni Batista at ng kanyang pangkat, na-modelo ng pangkat ang matematikal na pag-uugali ng misteryosong pagbagu-bago ng kabuuan at, pagkatapos magsagawa ng karagdagang mga eksperimento sa neutron gamit ang mga aparato ng CORELLI at SEQUOIA sa SNS, natukoy ang mekanismo na sanhi nito. lilitaw.

“Ang hinulaan ng teorya at kung ano ang maaari nating mapatunayan sa mga neutrons ay ang pagbabago ng exotic na ito na nangyayari kapag ang direksyon ng pag-ikot sa pagitan ng dalawang electron ay nabaligtad at ang kanilang mga magnetikong sandali ay ikiling sa magkabaligtaran na direksyon,” Batista said. “Kapag ang mga neutron ay nakikipag-ugnay sa mga pag-ikot ng mga electron, ang mga pag-ikot ay magkasabay na paikutin kasama ang isang tiyak na direksyon sa kalawakan. Ang koreograpia na ito na pinalitaw ng neutron na nagkakalat ay lumilikha ng isang spin wave. “

Ipinaliwanag niya na sa iba’t ibang mga materyales, ang mga elektronikong pag-ikot ay maaaring tumagal ng maraming iba’t ibang mga oryentasyon at paikutin ang mga choreograpia na lumilikha ng iba’t ibang mga uri ng spin waves. Sa mga mekanika ng kabuuan, ang konseptong ito ay kilala bilang “dualitas ng maliit na butil,” kung saan ang mga bagong alon ay itinuturing na mga bagong maliit na butil at karaniwang itinatago sa neutron na nagkalat sa ilalim ng normal na mga kondisyon.

“Sa isang katuturan, naghahanap kami ng mga madilim na partikulo,” dagdag ni Batista. “Hindi namin sila nakikita, ngunit alam namin na nandiyan sila dahil nakikita natin ang kanilang mga epekto o ang mga pakikipag-ugnayan na ginagawa nila sa mga particle na nakikita natin.”

Sa mga mekanika ng kabuuan, walang pagkakaiba sa pagitan ng mga alon at maliit na butil. Nauunawaan namin ang pag-uugali na batay sa haba ng daluyong ng maliit na butil, at pinapayagan kami ng mga neutron na sukatin ito, “sabi ni Bai.

Inihalintulad ng Mourigal ang paraan ng pagtuklas ng mga neutron ng mga maliit na butil sa mga alon na sumasabog sa paligid ng mga bato sa ibabaw ng karagatan.

“Hindi namin makita ang mga bato sa ilalim ng dagat sa tubig na tahimik hanggang sa dumaan ang isang alon dito,” sabi ni Mourigal. “Salamat sa teorya ni Cristian, nakilala lamang ni Xiaojian ang mga pakikipag-ugnayan na gumawa ng mga bato o sa kasong ito ang latent ripple na nakikita sa pamamagitan ng pagbuo ng maraming mga alon hangga’t maaari sa mga neutron.

Sinasamantala ang pag-uugali ng kabuuan ng magnetiko na humantong sa mga teknolohikal na pagsulong tulad ng makina ng MRI at imbakan ng magnetikong hard drive na nagpapasara sa personal na pag-compute. Ang mas maraming kakaibang mga materyales sa kabuuan ay maaaring mapabilis ang susunod na teknolohikal na alon.

Bilang karagdagan kay Bai, Mourigal, at Batista, kasama sa mga may-akda ng artikulo sina Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, at Feng Ye.

Mula nang matuklasan, ginamit ng koponan ang mga pananaw na ito upang paunlarin at masubukan ang mga hula sa isang mas malawak na hanay ng mga materyal na inaasahan nilang makakapagdulot ng mas maraming mga promising resulta.

“Habang nagdaragdag kami ng higit pang nilalaman sa isang materyal, pinapataas namin ang mga potensyal na problema tulad ng karamdaman at heterogeneity. Kung nais talaga nating maunawaan at lumikha ng malinis na mga quantum na mekanikal na sistema batay sa mga materyales, ang pagbabalik sa mga simpleng sistemang ito ay maaaring mas mahalaga kaysa sa iniisip natin, “sabi ni Mourigal.

“Nalutas nito ang 40-taong palaisipan ng mahiwagang paggulo sa iron iodide,” sabi ni Bai. “Ngayon ay may kalamangan tayo sa pagsulong ng mga malalaking pasilidad ng neutron tulad ng SNS na nagbibigay-daan sa amin na panimulaang siyasatin ang buong enerhiya at momentum na patlang ng isang materyal upang makita kung ano ang nangyayari sa mga kakaibang pagganyak na ito.

“Ngayon na naiintindihan natin kung paano gumagana ang kakaibang pag-uugali na ito sa isang simpleng materyal, naiisip natin kung ano ang maaari nating makita sa mas kumplikado. Ang bagong pag-unawang ito ay nag-udyok sa amin at sana ay uudyok ang pamayanang pang-agham na tuklasin ang higit pa sa ganitong uri ng materyal, at tiyak na hahantong ito sa mas kawili-wiling pisika. “

Sanggunian: “Ang mga Quadrupole excitation ay hybridized sa spin-anisotropic barrier magnet na FeIIka-2“Ni Xiaojian Bai, Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matthew B. Stone, Alexander I. Kolesnikov, Feng Ye, Cristian D. Batista at Martin Mourigal, Enero 4, 2021, Kalikasan Physics.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01110-1

Ang pananaliksik ay suportado ng Opisina ng Agham ng DOE. Pinangangasiwaan ng UT-Battelle LLC ang ORNL para sa DOE Office of Science. Ang Opisina ng Agham ay ang pinakamalaking tagasuporta ng pangunahing pananaliksik sa mga pisikal na agham sa Estados Unidos at gumagana upang matugunan ang ilan sa mga pinakahigpit na hamon sa ating panahon.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang Koponan sa Underwater Archeology ay Nakahanap ng 9,000-Taong-Taong Mga Bato ng Artifact

Kredito: Unibersidad ng Texas sa Arlington Ang pangkat ng arkeolohiya sa ilalim ng dagat ay natagpuan ang mga sinaunang obsidian na natuklap na 2,000 milya...

Nabawasan ang Panganib sa Kanser Kabilang sa Mga Pasyente sa Pagkabigo ng Puso na Gumagamit ng Statins

Ang paggamit ng Statin ay na-link sa isang pinababang panganib ng cancer sa mga pasyente na may kabiguan sa puso. Kredito: European Heart...

Tagumpay sa Teknolohiya ng Ultrathin para sa Revolution ng Night Vision – “Ginawa Namin ang Hindi Makikita”

Sinabi ni Dr. Rosso Camacho Morales na ang mga mananaliksik ay "hindi nakikita, nakikita." May-akda: Jamie Kidston, Australian National University Hayaan may ilaw! ...

Kapag Kakulangan sa Trabaho ng mga empleyado, Nakakuha sila ng Paranoid – At Aggressive

Kung ang mga empleyado ay walang kapangyarihan sa lugar ng trabaho, maaari silang makaramdam ng mahina at paranoid. Sa halip, ang paranoia na...

Ang kabuuang solar eclipses ay nag-iilaw sa solar wind

Pinapayagan ng mga espesyal na filter na masukat ang mga siyentipiko ng iba't ibang mga temperatura sa corona sa panahon ng pangkalahatang mga eclipse...

Newsletter

Subscribe to stay updated.