Physiker entdecken ungewöhnliche Wellen in einem nickelbasierten Magneten
Wenn die Spins von Elektronen in einem Magneten gestört werden, entstehen normalerweise „Spinwellen“, die durch den Magneten wie Wellen auf einem Teich laufen. In einer neuen Studie haben Physiker der Rice University und ihrer Kooperationspartner jedoch ungewöhnliche Erregungszustände, sogenannte „Spin-Exzitonen“, in einem nickelbasierten Magneten entdeckt, die als kohärente Welle durch den Magneten „rippeln“.
In der in Nature Communications veröffentlichten Studie fanden die Forscher ungewöhnliche Eigenschaften in Nickel-Molybdat, einem geschichteten magnetischen Kristall. Subatomare Teilchen, so genannte Elektronen, ähneln winzigen Magneten und orientieren sich normalerweise in Bezug auf magnetische Felder, wie Kompassnadeln. In Experimenten, bei denen Neutronen von magnetischen Nickelionen im Inneren der Kristalle gestreut wurden, stellten die Forscher jedoch fest, dass die beiden äußersten Elektronen jeder Nickelionen-Aufspaltung unterschiedlich reagierten. Anstatt sich zu orientieren wie Kompassnadeln, löschten sich die beiden in einem Phänomen aus, das Physiker als Spinsingulett bezeichnen.
„Ein solches Material sollte überhaupt kein Magnet sein“, sagte Pengcheng Dai von der Rice University, der korrespondierende Autor der Studie. „Und wenn ein Neutron von einer bestimmten Nickel-Ionen-Aufspaltung gestreut wird, sollten die Erregungszustände lokal bleiben und sich nicht durch die Probe bewegen.“
Dai und seine Kollegen waren daher überrascht, als Instrumente in den Neutronenstreuversuchen nicht nur eine, sondern zwei äußerst unterschiedliche Familien von sich ausbreitenden Wellen erfassten.
Um die Ursprünge der Wellen zu verstehen, war es notwendig, in die atomaren Details der magnetischen Kristalle einzutauchen. Elektromagnetische Kräfte von Atomen in Kristallen können mit dem Magnetfeld konkurrieren und Elektronen in benachbarten Atomen beeinflussen. Dies wird als Kristallfeldeffekt bezeichnet und kann dazu führen, dass sich Elektronenspins entlang von Richtungen orientieren, die sich von der Ausrichtung des Magnetfeldes unterscheiden. Zusätzliche Experimente und theoretische Interpretation der Daten aus den Experimenten waren erforderlich, um Kristallfeldeffekte in den Nickel-Molybdat-Kristallen zu untersuchen.
„Die Zusammenarbeit zwischen Experimentiergruppen und Theorie ist entscheidend, um ein vollständiges Bild zu zeichnen und die beobachteten ungewöhnlichen Spineregerungen in dieser Verbindung zu verstehen“, sagte Rice-Koautorin Emilia Morosan.
Morosans Gruppe untersuchte die thermische Antwort der Kristalle auf Änderungen der Temperatur mit spezifischen Wärmemessungen. Aus diesen Experimenten schlussfolgerten die Forscher, dass zwei Arten von Kristallfeldumgebungen in den geschichteten Nickel-Molybdat vorlagen und dass diese beiden Nickelionen sehr unterschiedlich beeinflussten.
„In einer ist der Feldeffekt eher schwach und entspricht einer thermischen Energie von etwa 10 Kelvin“, sagte Studien-Co-Autor Andriy Nevidomskyy, ein theoretischer Physiker an der Rice University, der half, die experimentellen Daten zu interpretieren. „Es ist vielleicht nicht überraschend, dass Neutronen bei Temperaturen von wenigen Kelvin magnetische Spinwellen von Nickelatomen erregen können, die diesem ersten Typ von Kristallfeldeffekt unterliegen. Aber es ist am seltsamsten zu sehen, dass sie von Nickelatomen kommen, die dem zweiten Typ unterliegen. Diese Atome haben eine tetraedrische Anordnung von Sauerstoffen um sie herum, und der elektrische Feldeffekt ist fast 20-fach stärker, was bedeutet, dass die Erregungen umso schwieriger zu erzeugen sind.“
Nevidomskyy sagte, dass dies verstanden werden könne, als ob die Drehimpulse der entsprechenden Nickel-Ionen unterschiedliche „Masse“ hätten.
„Die Analogie ist die von schweren Basketbällen
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