Frusztrált anyagok nagy nyomás alatt

A kutatók módosítják az egzotikus anyagok mágneses viselkedését

Nem csak az emberek csalódnak időnként. Néhány kristály csalódást is mutat. Ezt akkor teszik, amikor elemi mágnesük, a mágneses pörgésük nem tud megfelelően beállni. A cézium-réz-klorid (röviden Cs2CuCl4) - röviden CCC - kiváló példája a csalódott anyagoknak. Ebben a kristályban a mágneses rézatomok egy háromszög alakú rácson helyezkednek el, és egymással ellentétesen próbálnak egymáshoz igazodni. Egy háromszögben ez azonban nem működik. Ez a geometriai frusztráció kihívást jelent a fizikusok számára. Végül is új mágneses jelenségek felfedezését ígéri, amelyeket a jövőben akár kvantumszámítógépekhez is felhasználhatnak. Az alapok jobb kivizsgálása és megértése érdekében a németországi Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) fizikusai, japán és amerikai kollégák támogatásával, most már elegáns mérési módszerrel vezérelhetik a mágneses tengelykapcsolót.

"Célunk a bonyolult kvantumfolyamatok részletes ismertetése geometriai frusztrált kristályokban" - magyarázza Dr. Szergej Zvyagin, a HZDR drezdai nagy mágneses terének laboratóriumából. Bőven vannak olyan elméletek a kristályok mágneses viselkedéséről, mint a CCC. De eddig hiányoztak a kifinomult kísérletek ezen elméletek magának a tárgynak a tesztelésére. Ennek érdekében hasznos, ha szándékosan megváltoztatjuk a mágneses atomok közötti kölcsönhatások erősségét.

Számos laboratórium fizikusai gyakran unalmas utat járnak be: geometriai frusztrációval rendelkező kristályokat állítanak elő, kissé eltérő kémiai összetételben. Ez megváltoztatja az elemi mágnesek közötti mágneses interakciót, de néha - akaratlanul is - a kristályszerkezetet. Zvyagin elhagyta ezt a fáradságos, tisztán kémiai utat a mélyebb ismeretek felé. Ehelyett magas nyomást alkalmazott. Ilyen körülmények között a mágneses pörgések összekapcsolásának erőssége kvázi folyamatosan változtatható.

"Az új módszerrel vezérelhetjük a kristályon belüli kapcsolási paramétereket, és egyszerre mérhetjük a mágneses tulajdonságokra gyakorolt hatásokat" - mondja Szergej Zvjagin. Kísérleteiért a CCC kristályokat Dr. Hidekazu Tanaka tokiói technológiai intézetének csoportjától kapta. Alig néhány milliméteres élhosszal és csillogó narancssárga áttetszőségükkel inkább a fényes gránát drágakövekre emlékeztetnek, mint a laboratóriumban termesztett mesterséges kristályokra.

Szintén Japánban, a sendaii Tohoku Egyetemen Zvyagin és munkatársai nagy szilárdságú cirkónium-oxidból készült dugattyúkkal ellátott nagynyomású présbe helyezték a kristályokat. A kutatók fokozatosan két gigapascálra növelték a nyomást - ehhez hasonló nyomást gyakorol az autó súlya egy színes ceruza ólom méretű felületre.

"E nyomás alatt az atomok közötti távolság nagyon kevéssé változott" - mondja Zvjagin. "De a kristály mágneses tulajdonságai drasztikus változást mutattak." A kutatók ezeket a változásokat közvetlenül mérni tudták az elektron-spin-rezonancia (ESR) segítségével. Meghatározták a fény (vagy pontosabban: mikrohullámok) áteresztőképességét egy nagyon erős, akár 25 Tesla méretű külső mágneses mezőben - mintegy félmilliószor erősebbek, mint a Föld mágneses tere. Ezenkívül a kristályt -271 Celsius-fokig, majdnem abszolút nullaig kellett mélyhűteni, hogy elkerüljék a hő okozta zavaró hatásokat.

Ezek az erős külső mágneses térben végzett mérések az anyag nagyon szokatlan mágneses tulajdonságait tárták fel. A kutatók a szomszédos mágneses pörgések közötti kapcsolás erősségét a nyomás változtatásával tudták változtatni. További mérések az anyagkutatás egy további módszerével - az alagútdióda oszcillátor (TDO) technikával - kiegészítették ezeket az eredményeket. A TDO méréseket - szintén nagy nyomáson és erős mágneses terekben - a Tallahassee-i Florida Állami Egyetemen végezték el.

Ezen túlmenően Zvyagin és munkatársai bizonyítékot találtak arra, hogy a CCC nagy nyomás alatt új fázisok kaszkádját mutatja, növekvő mágneses térrel, nulla nyomáson hiányozva. "Ezeknek a méréseknek köszönhetően most egy lépéssel tovább haladunk e fázisok változatosságának jobb megértése felé" - mondja Joachim Wosnitza professzor, a drezdai nagy mágneses terű laboratórium vezetője.

"Ezeknek a fázisoknak a pontos meghatározása az egyik következő célpontunk" - mondja Zvyagin. A jövőben a neutronszórás segítségével meg kívánja határozni CCC kristályainak pontos szerkezetét. E terveknél értékeli a HZDR szoros nemzetközi hálózatával kínált kiváló kutatási feltételeket. "Számomra ideális hely az alapkutatás iránti érdeklődésem iránt" - mondja a fizikus. "És ha megértjük a frusztrált geometriájú kristályok kvantumfolyamatait, akkor alkalmazások is megjelenhetnek."

Joachim Wosnitza szintén nagy potenciált lát ezeknek a kristályoknak az egzotikus mágneses tulajdonságaiban. "El lehet képzelni olyan hosszú élettartamú kvantumrendszereket, amelyekben a mágneses pörgetéseket kontrolláltan lehet használni" - mondja Wosnitza. "Arra azonban még nem lehet számítani, hogy ez kvantum számítógéphez vagy speciális érzékelőhöz vezet-e." Az ilyen alkalmazásokhoz vezető út még mindig nagyon hosszú lehet. De sikeres méréseikkel a HZDR kutatóinak nincs oka csalódásra - ellentétben a kristálymintáikkal.