Blog

May 06, 2023

Los físicos descubren 'panqueques apilados de magnetismo líquido'

Los físicos han descubierto "panqueques apilados de magnetismo líquido" que pueden

Los físicos han descubierto "panqueques apilados de magnetismo líquido" que pueden explicar el extraño comportamiento electrónico de algunos imanes helicoidales en capas.

Los materiales del estudio son magnéticos a bajas temperaturas y se vuelven no magnéticos a medida que se descongelan. El físico experimental Makariy Tanatar del Laboratorio Nacional Ames en la Universidad Estatal de Iowa notó un comportamiento electrónico desconcertante en cristales helimagnéticos en capas y llamó la atención del misterio al físico teórico Andriy Nevidomskyy de Rice, quien trabajó con Tanatar y el ex estudiante graduado de Rice, Matthew Butcher, para crear un modelo computacional. que simulaba los estados cuánticos de átomos y electrones en los materiales estratificados.

Los materiales magnéticos experimentan una transición de "descongelación" a medida que se calientan y se vuelven no magnéticos. Los investigadores realizaron miles de simulaciones por computadora de Monte Carlo de esta transición en helimagnetos y observaron cómo los dipolos magnéticos de los átomos dentro del material se organizaban durante el deshielo. Sus resultados fueron publicados en un estudio reciente en Physical Review Letters.

A un nivel submicroscópico, los materiales bajo estudio están compuestos por miles de cristales 2D apilados uno encima de otro como las páginas de un cuaderno. En cada hoja de cristal, los átomos están dispuestos en redes, y los físicos modelaron las interacciones cuánticas tanto dentro como entre las hojas.

"Estamos acostumbrados a pensar que si tomas un sólido, como un bloque de hielo, y lo calientas, eventualmente se convertirá en líquido y, a una temperatura más alta, se evaporará y se convertirá en gas", dijo Nevidomskyy. , profesor asociado de física y astronomía y miembro de la Iniciativa Rice Quantum. "Se puede hacer una analogía similar con los materiales magnéticos, excepto que nada se evapora en el verdadero sentido de la palabra.

"El cristal sigue intacto", dijo. "Pero si observa la disposición de los pequeños dipolos magnéticos, que son como las agujas de una brújula, comienzan en una disposición correlacionada, lo que significa que si sabe en qué dirección apunta uno de ellos, puede determinar en qué dirección apunta cualquiera de ellos". , independientemente de lo lejos que esté en la red. Ese es el estado magnético: el sólido en nuestra analogía. A medida que se calienta, los dipolos eventualmente se volverán completamente independientes, o aleatorios, entre sí. Eso se conoce como paramagnet , y es análogo a un gas".

Nevidomskyy dijo que los físicos suelen pensar en materiales que tienen un orden magnético o que carecen de él.

"Una mejor analogía desde el punto de vista clásico sería un bloque de hielo seco", dijo. "Se olvida de la fase líquida y pasa directamente del hielo al gas. Así son las transiciones magnéticas en los libros de texto. Nos enseñan que comienzas con algo correlacionado, digamos un ferromagneto, y en algún punto el parámetro de orden desaparece, y terminas con un paramagneto".

Tanatar, un científico investigador del Laboratorio de Baja Temperatura de Superconductividad y Magnetismo de Ames, había encontrado señales de que la transición del orden magnético al desorden en los imanes helicoidales estaba marcada por una fase transitoria en la que las propiedades electrónicas, como la resistencia, diferían según la dirección. Por ejemplo, podrían diferir si se midieran horizontalmente, de lado a lado, en lugar de medirlos verticalmente de arriba a abajo. Este comportamiento direccional, que los físicos llaman anisotropía, es un sello distintivo de muchos materiales cuánticos como los superconductores de alta temperatura.

"Estos materiales en capas no se ven iguales en las direcciones vertical y horizontal", dijo Nevidomskyy. "Esa es la anisotropía. La intuición de Makariy era que la anisotropía estaba afectando la forma en que el magnetismo se derrite en el material, y nuestro modelo demostró que eso era cierto y mostró por qué sucede".

El modelo mostró que el material pasa por una fase intermedia a medida que pasa del orden magnético al desorden. En esa fase, las interacciones dipolares son mucho más fuertes dentro de las hojas que entre ellas. Además, las correlaciones entre los dipolos se parecían más a las de un líquido que a las de un sólido. El resultado son "charcos aplastados de líquidos magnéticos que se apilan como panqueques", dijo Nevidomskyy. En cada panqueque con forma de charco, los dipolos apuntan aproximadamente en la misma dirección, pero ese sentido de dirección varía entre los panqueques vecinos.

"Es un montón de átomos, todos con sus dipolos apuntando en la misma dirección", dijo Nevidomskyy. "Pero luego, si subes una capa, todos apuntan en una dirección aleatoria diferente".

La disposición atómica en el material "frustra" los dipolos y evita que se alineen en una dirección uniforme en todo el material. En cambio, los dipolos en las capas se desplazan, girando ligeramente en respuesta a los cambios en los panqueques vecinos.

"Las frustraciones dificultan que las flechas, estos dipolos magnéticos, decidan hacia dónde quieren apuntar, en un ángulo u otro", dijo Nevidomskyy. "Y para aliviar esa frustración, tienden a rotar y moverse en cada capa".

Tanatar dijo: "La idea es que tienes dos fases magnéticas en competencia. Están luchando entre sí y, como resultado, tienes una temperatura de transición para estas fases que es más baja de lo que sería sin competencia. Y en este escenario de competencia, el los fenómenos que conducen al orden magnético son diferentes de los fenómenos cuando no tienes esta competencia".

Tanatar y Nevidomskyy dijeron que si bien no hay una aplicación inmediata para el descubrimiento, sin embargo, puede ofrecer pistas sobre la física aún sin explicar de otros materiales anisotrópicos como los superconductores de alta temperatura.

A pesar del nombre, la superconductividad a alta temperatura se produce a temperaturas muy frías. Una teoría sugiere que los materiales pueden convertirse en superconductores cuando se enfrían cerca de un punto crítico cuántico, una temperatura suficiente para suprimir el orden magnético de largo alcance y dar lugar a efectos provocados por fuertes fluctuaciones cuánticas. Por ejemplo, se ha demostrado que varios materiales "principales" magnéticos albergan superconductividad cerca de un punto crítico cuántico donde desaparece el magnetismo.

"Una vez que se suprime el efecto principal, el orden magnético de largo alcance, se puede dar paso a efectos más débiles como la superconductividad", dijo Tanatar. "Esta es una de las principales teorías de la superconductividad no convencional. En nuestro estudio, mostramos que se puede hacer lo mismo de una manera diferente, con frustración o interacciones competitivas".

Butcher realizó los cálculos de Monte Carlo como Ph.D. estudiante en el grupo de investigación de Nevidomskyy. Obtuvo su doctorado de Rice en 2022 y ahora es ingeniero científico en Applied Research Laboratories, la Universidad de Texas en Austin.

La investigación fue apoyada por la Fundación Welch (C-1818), por la División de Ingeniería y Ciencias de los Materiales del programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía (DE-AC02-07CH11358) y la Fundación Nacional de Ciencias (1917511, 1607611, 1338099). El trabajo computacional fue apoyado por el Centro de Informática de Investigación de la Universidad de Rice.

"Fusión anisotrópica de antiferroimanes Ising frustrados" | Cartas de revisión física | DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.166701

Autores: Matthew W. Butcher, Makariy A. Tanatar y Andriy H. Nevidomskyy

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.166701

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/0515_MELTING-figV-lg.jpg LEYENDA: Físicos de la Universidad Rice y el Laboratorio Ames de la Universidad Estatal de Iowa descubrieron "panqueques apilados de magnetismo líquido" que surgen en algunos imanes helicoidales debido a cambios en la disposición de los dipolos magnéticos cuando el material se calienta. A temperaturas muy bajas (panel inferior), la disposición ordenada de los dipolos conduce al magnetismo. A alta temperatura (panel superior), los dipolos están desordenados y el material no es magnético. Panqueques de magnetismo líquido (panel central) surgen a una temperatura intermedia donde las interacciones magnéticas dentro de las capas 2D horizontales son mucho más fuertes que las interacciones verticales entre las capas. (Figura de M. Butcher, cortesía de A. Nevidomskyy/Universidad Rice)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/0515_MELTING-an86Q-lg.jpg LEYENDA: Andriy Nevidomskyy (Foto de Jeff Fitlow/Universidad Rice)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/0515_MELTING-mt-lg.jpg LEYENDA: Makariy Tanatar (Foto cortesía de MA Tanatar)

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/05/0515_MELTING-mb-lg.jpg LEYENDA: Matthew Butcher (Foto cortesía de M. Butcher)

Los físicos encuentran ondas inusuales en un imán a base de níquel - 18 de abril de 2023https://news.rice.edu/news/2023/physicists-find-unusual-waves-nickel-based-magnet

La investigación computacional confirma el primer líquido de espín cuántico en 3D: 10 de mayo de 2022https://news.rice.edu/news/2022/computational-sleuthing-confirms-first-3d-quantum-spin-liquid

Físicos encuentran el primer líquido de espín cuántico en 3D posible: 15 de julio de 2019https://news.rice.edu/news/2019/physicists-find-first-possible-3d-quantum-spin-liquid

Los compuestos afines extravagantes podrían descifrar el código cuántico -- 20 de diciembre de 2018

Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad de Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país por US News & World Report. Rice tiene escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es sede del Instituto Baker para Políticas Públicas. Con 4.240 estudiantes universitarios y 3.972 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es un poco menos de 6 a 1. Su sistema de universidades residenciales construye comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el puesto número 1 por mucha interacción raza/clase y el número 4 por calidad de vida según Princeton Review. Rice también está calificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger's Personal Finance.