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Sep 08, 2023

「パンケーキの積み重ね」が磁石の奇妙な挙動を説明するかもしれない

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(クレジット: ゲッティイメージズ)

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物理学者らは、一部の層状螺旋磁石の奇妙な電子的挙動を説明できる可能性のある「液体磁気の積み重ねられたパンケーキ」を発見した。

研究対象の材料は低温では磁性を持ち、解凍すると非磁性になります。

アイオワ州立大学エイムズ国立研究所の実験物理学者マカリー・タナター氏は、層状ヘリ磁性結晶における複雑な電子の挙動に気づき、ライス大学の理論物理学者アンドリー・ネビドムスキー氏にその謎に注目させた。彼はタナター氏と元ライス大学院生のマシュー・ブッチャー氏と協力して計算理論を作成した。層状材料内の原子と電子の量子状態をシミュレートしたモデル。

磁性材料は、温度が上がると「解凍」転移を起こし、非磁性になります。 研究者らは、ヘリ磁石のこの転移について何千ものモンテカルロコンピュータシミュレーションを実行し、物質内部の原子の磁気双極子が解凍中にどのように配置されるかを観察した。 彼らの結果は、Physical Review Letters に掲載されます。

超顕微鏡レベルでは、研究対象の材料は、ノートのページのように積み重ねられた何千もの 2D 結晶で構成されています。 各結晶シートでは原子が格子状に配列されており、物理学者らはシート内およびシート間の量子相互作用をモデル化した。

「私たちは、氷の塊のような固体を加熱すると、最終的には液体になり、さらに高い温度では蒸発して気体になると考えることに慣れています」とネヴィドムスキー氏は言う。 、物理学と天文学の准教授であり、ライス量子イニシアチブのメンバーです。 「言葉の本当の意味で何も蒸発しないことを除けば、磁性材料でも同様のことが言えます。

「クリスタルはまだ無傷です」と彼は言う。 「しかし、コンパスの針のような小さな磁気双極子の配置を見ると、それらは相関関係のある配置で始まります。つまり、そのうちの 1 つがどちらの方向を向いているかがわかれば、それらのいずれかがどちらの方向を向いているかを判断できるということです。格子内でどれだけ離れているかに関係なく、磁性状態、つまり固体に喩えられます。加熱すると、双極子は最終的には互いに完全に独立、つまりランダムになります。これは常磁性体として知られています。 、そしてそれは気体に似ています。」

ネビドムスキー氏は、物理学者は通常、材料は磁気秩序を持っているか、磁気秩序を欠いているかのどちらかだと考えると述べています。

「古典的な観点からより適切に例えると、ドライアイスの塊が考えられます」と彼は言います。 「それは、液相のことを忘れて、氷から気体に直接移行するようなものです。それが、通常、教科書に登場する磁気転移のようなものです。私たちは、相関関係のあるもの、たとえば強磁性体から始めて、ある時点で秩序パラメータが決まると教えられます。」が消えて常磁性体になってしまいます。」

エイムズの超電導・磁性低温研究所の研究員であるタナター氏は、ヘリカル磁石における磁気秩序から無秩序への移行が、抵抗などの電子特性が方向によって異なる遷移段階によって特徴づけられるという兆候を発見した。 たとえば、上から下への垂直方向の測定ではなく、水平方向の左右への測定の場合は異なる可能性があります。 物理学者が異方性と呼ぶこの方向性の挙動は、高温超伝導体のような多くの量子材料の特徴です。

「これらの層状のマテリアルは、垂直方向と水平方向で同じように見えません」と Nevidomskyy 氏は言います。 「それが異方性です。マカリーの直感は、異方性が磁性が材料内でどのように溶けるかに影響を与えているということでした。そして私たちのモデリングはそれが真実であることを実証し、なぜそれが起こるのかを示しました。」

このモデルは、材料が磁気秩序から無秩序に移行する際に中間相を通過することを示しました。 この段階では、双極子相互作用はシート間よりもシート内ではるかに強くなります。 さらに、双極子間の相関は固体ではなく液体の相関に似ていました。 その結果、「パンケーキのように積み重なった磁性液体の平らな水たまり」ができる、とネヴィドムスキー氏は言う。 水たまりのような各パンケーキでは、双極子はほぼ同じ方向を向いていますが、その方向感覚は隣接するパンケーキ間で異なります。

「それはすべての双極子が同じ方向を向いた原子の束です」とネビドムスキー氏は言う。 「しかし、1 層上に進むと、すべてが別のランダムな方向を向いています。」

材料内の原子の配置により双極子が「挫折」し、材料全体で双極子が均一な方向に整列することが妨げられます。 代わりに、層内の双極子が移動し、隣接するパンケーキの変化に応じてわずかに回転します。

「フラストレーションがあると、磁気双極子である矢が、ある角度や別の角度でどこを指すのかを決めることが難しくなります」とネビドムスキー氏は言う。 「そして、そのフラストレーションを解消するために、各層で回転したり移動したりする傾向があります。」

Tanatar 氏は、「アイデアは、競合する 2 つの磁性相があるということです。それらは互いに戦っており、その結果、これらの相の転移温度は、競合がない場合よりも低くなります。そして、この競合シナリオでは、磁気秩序をもたらす現象は、この競争がない場合の現象とは異なります。」

タナタール氏とネビドムスキー氏は、この発見を直ちに応用することはできないが、高温超伝導体のような他の異方性材料のまだ解明されていない物理学についてのヒントを提供する可能性があると述べている。

その名前にもかかわらず、高温超伝導は非常に低い温度で発生します。 ある理論では、材料が量子臨界点付近に冷却されると超伝導体になる可能性があると示唆されています。量子臨界点は、長距離の磁気秩序を抑制し、強い量子ゆらぎによってもたらされる効果を引き起こすのに十分な温度です。 例えば、いくつかの磁性「親」材料は、磁性が消滅する量子臨界点に近い超伝導性を有することが示されている。

「主な効果である長距離磁気秩序を抑制すると、超伝導のような弱い効果に道を譲ってしまう可能性があります」とタナター氏は言う。 「これは、型破りな超電導に関する主要な理論の 1 つです。私たちの研究では、フラストレーションや競合する相互作用を利用して、同じことを別の方法で実行できることを示しました。」

ブッチャーは、ネビドムスキーの研究グループの博士課程の学生としてモンテカルロ計算を実行しました。 彼は現在、テキサス大学オースティン校応用研究所の工学科学者です。

この研究にはウェルチ財団の支援がありました。 エネルギー省の基礎エネルギー科学プログラムの材料科学および工学部門。 そして国立科学財団。 計算作業はライス研究コンピューティングセンターからの支援を受けました。

出典: ライス大学

元の研究DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.166701

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