Анизотропное плавление фрустрированных антиферромагнетиков Изинга
Физики из Университета Райса и Лаборатории Эймса в Университете штата Айова обнаружили «сложенные друг на друга блины жидкого магнетизма», которые возникают в некоторых спиральных магнитах из-за изменения расположения магнитных диполей при нагревании материала. При очень низких температурах упорядоченное расположение диполей приводит к магнетизму. При высокой температуре диполи разупорядочены и материал немагнитен. Блины жидкоподобного магнетизма возникают при промежуточной температуре, когда магнитные взаимодействия внутри горизонтальных 2D-слоев намного сильнее, чем вертикальные взаимодействия между слоями.
Физики из Университета Райса и Лаборатории Эймса в Университете штата Айова обнаружили «сложенные друг на друга блины жидкого магнетизма», которые возникают в некоторых спиральных магнитах из-за изменения расположения магнитных диполей при нагревании материала. При очень низких температурах (нижняя панель) упорядоченное расположение диполей приводит к магнетизму. При высокой температуре (верхняя панель) диполи разупорядочены и материал немагнитен. Блины жидкоподобного магнетизма (средняя панель) возникают при промежуточной температуре, когда магнитные взаимодействия внутри горизонтальных 2D-слоев намного сильнее, чем вертикальные взаимодействия между слоями.
Авторы и права: М. Бутчер, А. Невидомский / Университет Райса
Физики обнаружили «сложенные друг на друга блины жидкого магнетизма», которые могут объяснить странное электронное поведение некоторых слоистых спиральных магнитов.
Материалы в исследовании являются магнитными при низких температурах и становятся немагнитными при оттаивании. Физик-экспериментатор Макарий Танатар из Национальной лаборатории Эймса в Университете штата Айова заметил загадочное поведение электроники 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 имитировали квантовые состояния атомов и электронов в слоистых материалах.
Магнитные материалы подвергаются переходу «оттаивания», когда они нагреваются и становятся немагнитными. Исследователи выполнили тысячи компьютерных симуляций Монте-Карло этого перехода в гелимагнетиках и наблюдали, как магнитные диполи атомов внутри материала располагались во время оттаивания. Их результаты были опубликованы в недавнем исследовании в Physical Review Letters.
На субмикроскопическом уровне исследуемые материалы состоят из тысяч двумерных кристаллов, уложенных друг на друга, как страницы в блокноте. В каждом кристаллическом листе атомы выстраиваются в решетки, и физики смоделировали квантовые взаимодействия как внутри, так и между листами.
«Мы привыкли думать, что если взять твердое тело, например глыбу льда, и нагреть его, в конце концов оно станет жидкостью, а при более высокой температуре — испарится и станет газом», — сказал Невидомский. , адъюнкт-профессор физики и астрономии и член Квантовой инициативы Райса. «Похожую аналогию можно провести и с магнитными материалами, за исключением того, что ничего не испаряется в прямом смысле этого слова».
«Кристалл все еще цел», — сказал он. «Но если вы посмотрите на расположение маленьких магнитных диполей — которые подобны стрелкам 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. Когда вы нагреваетесь, диполи в конечном итоге становятся полностью независимыми или случайными по отношению друг к другу. Это известно как парамагнетик. , и он аналогичен газу».
Невидомский сказал, что физики обычно думают о материалах либо с магнитным порядком, либо без него.
«Лучшей аналогией с классической точки зрения был бы кусок сухого льда», — сказал он. «Он как бы забывает про жидкую фазу и сразу переходит из льда в газ. Именно такими обычно описывают магнитные переходы в учебниках. Нас учат, что вы начинаете с чего-то коррелированного, скажем, с ферромагнетика, и в какой-то момент параметр порядка исчезает, и 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 был отмечен переходной фазой, в которой электронные свойства, такие как сопротивление, различались по направлению. Например, они могли бы отличаться, если бы измерялись по горизонтали, из стороны в сторону, а не по вертикали сверху вниз. Это направленное поведение, которое физики называют анизотропией, является отличительной чертой многих квантовых материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники.
«Эти слоистые материалы неодинаковы 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 намного сильнее, чем между ними. Более того, корреляции между диполями напоминали скорее жидкости, чем твердого тела. В результате получаются «сплющенные лужицы магнитных жидкостей, которые складываются стопкой, как блины», — сказал Невидомский. В каждом блине, похожем на лужу, диполи указывают примерно в одном направлении, но это направление различается между соседними блинами.
«Это группа атомов, все диполи которых направлены в одном направлении», — сказал Невидомский. «Но тогда, если вы подниметесь на один слой вверх, все они будут указывать в другом случайном направлении».
Расположение атомов в материале «расстраивает» диполи и препятствует их выравниванию в едином направлении по всему материалу. Вместо этого диполи в слоях смещаются, слегка вращаясь в ответ на изменения в соседних блинах.
«Разочарования мешают стрелкам, этим магнитным диполям, решить, куда они хотят указывать, под тем или иным углом», — сказал Невидомский. «И чтобы уменьшить это разочарование, они имеют тенденцию вращаться и перемещаться в каждом слое».
Танатар сказал: «Идея состоит в том, что у вас есть две конкурирующие магнитные фазы. Они борются друг с другом, и в результате у вас есть температура перехода для этих фаз, которая ниже, чем она была бы без конкуренции, ведущая к магнитному порядку, когда у вас нет этого соревнования».
Танатар и Невидомский сказали, что, хотя это открытие не имеет прямого применения, оно, тем не менее, может дать намеки на все еще необъяснимую физику других анизотропных материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники.
Несмотря на название, высокотемпературная сверхпроводимость возникает при очень низких температурах. Одна из теорий предполагает, что материалы могут становиться сверхпроводниками, когда они охлаждаются вблизи квантовой критической точки, температуры, достаточной для подавления дальнего магнитного порядка и возникновения эффектов, вызванных сильными квантовыми флуктуациями. Например, было показано, что несколько магнитных «исходных» материалов обладают сверхпроводимостью вблизи квантовой критической точки, в которой магнетизм исчезает.
«Как только вы подавите основной эффект, дальнее магнитное упорядочение, вы можете уступить место более слабым эффектам, таким как сверхпроводимость», — сказал Танатар. «Это одна из ведущих теорий нетрадиционной сверхпроводимости. В нашем исследовании мы показываем, что то же самое можно сделать по-другому, с разочарованием или конкурирующими взаимодействиями».
