Исследование было описано в работе, опубликованной 11 мая в Physical Review Letters сотрудничеством ученых из Брукхевенской Национальной лаборатории американского Министерства энергетики (DOE), Колумбийского университета, Национальных лабораторий Ок-Риджа и Лос-Аламоса САМКИ, Инштитута Лауэ-Лангевина во Франции и Уорикского университета в Англии. Математический подход, названный анализом магнитной функции распределения пары (mPDF), был развит в Brookhaven Lab и Колумбийском университете.
Это открывает большую перспективу как новый инструмент для понимания магнитных свойств сверхпроводников, окисей металла перехода и других материалов, электроны которых сильно взаимодействуют.«Это исследование демонстрирует, что наша техника может использоваться, чтобы изучить колеблющийся местный магнетизм и привести к важному научному пониманию о магнитных свойствах материала, которые тесно связаны с его способностью провести электричество без сопротивления (сверхпроводимость), изменить электрическое сопротивление под прикладным магнитным полем (магнитосопротивление) и переход от проведения до состояния изолирования», сказали физик Brookhaven Lab и Школа Колумбийского университета Технического профессора Саймона Биллинджа, ведущего автора на бумаге и co-разработчика mPDF. «Если мы можем понять, как материалы получают эти свойства, мы можем сделать механическую передачу более эффективной, вместимость данных увеличения, и построить меньшие электрические детали».Магнетизм в марганцевой окиси
При низких температурах магнитные моменты или электронные вращения, соседних ионов Mn спонтанно выстраиваются в линию в заказанном, чередуя вниз вниз образец. Поскольку температура увеличена, магнитные моменты начинают вибрировать и становиться менее заказанными. Выше критической температуры 118 Келвина антипараллельный заказ дальнего действия, кажется, исчезает полностью с магнитными моментами, беспорядочно колеблющимися.
Однако даже выше 118 Келвина, ученые наблюдали мимолетные, кратковременные остатки магнитного заказа в колеблющиеся моменты, которые, как ожидают, будут содержать важную информацию о природе магнитных взаимодействий. К сожалению, эти кратковременные корреляции было очень трудно изучить, потому что обычные техники измерений не достаточно чувствительны, чтобы захватить детали корреляций, такой как, как магнитные моменты устроены в масштабе миллимикрона. mPDF предназначен, чтобы исправить эту проблему.«Конечная цель нашего исследования должна понять то, что заставляет эти магнитные моменты выстраиваться в линию», сказал Биллиндж.
В структуре MnO есть цепи Mn-O-Mn, и ион O может служить «мостом» для вторых самых близких соседних ионов Mn, чтобы обменять магнитную информацию через электронные перелеты – взаимодействие, названное суперобменом. Альтернативно, ионы Mn могут непосредственно обменная магнитная информация через первых самых близких соседей (ионы, которые являются диагональными друг от друга) прямыми электронными перелетами через пространство.
Оба механизма, как известно, происходят, но это было неясно, какой доминирующий.«Определение, которое из этих двух взаимодействий – тех между самыми близкими соседними вращениями или вторыми самыми близкими соседними вращениями – прежде всего, ответственно за заказ магнитных моментов, ключевое для понимания, как материал получает свои магнитные свойства», сказал Бенджамин Фрэндсен, аспирант Колумбийского университета в группе Биллинджа и главный разработчик mPDF.Исследуя малую дальность магнитные корреляции, которые существуют выше критической температуры, предоставляют уникальную информацию о магнитных взаимодействиях, которые стимулируют корреляции дальнего действия при более низких температурах.«Поскольку температура увеличена, магнитные корреляции по большим расстояниям потеряны.
Пять соседей от иона Mn, электронные вращения абсолютно случайны», сказал Биллиндж. «Но есть остатки того, на что было похоже в местном масштабе заказанное государство. Используя mPDF, мы можем измерить участки остающегося магнитного заказа, даже когда эти участки колеблются и малая дальность, заказанная только, и сравнивают предсказания конкурирующих моделей на основе суперобмена против прямых обменных взаимодействий».Ядерный и магнитный анализ данных рассеивания
Чтобы измерить корреляции, команда сначала провела эксперименты рассеивания нейтрона, чтобы собрать данные, должен был применить их технику. Они направили лучи нейтронов в порошковом образце MnO для температур между 15 Келвином и 300 Келвином и обнаружили угол и энергию, в которой нейтроны были рассеяны после взаимодействия с образцом. Они измерили два типа рассеивания сигналов: ядерный (как нейтроны взаимодействовали с атомными ядрами образца) и магнитный (как магнитные моменты нейтронов взаимодействовали с магнитными моментами ионов Mn).
От этих сигналов команда одновременно вычислила атомные и магнитные функции распределения пары (PDF), математические уравнения, которые представляют корреляции в образце. Атомный PDF – вероятность нахождения любых двух атомов, отделенных данным расстоянием. Магнитный PDF подобен атомному PDF, но также и кодирует информацию об относительных ориентациях электронных вращений.
Ученые тогда сравнили эти экспериментальные измерения с сигналами PDF, вычисленными структурными и магнитными моделями MnO. Они также соответствовали моделям строения атома и магнитному заказу к экспериментальным данным PDF – многократно изменяющимся параметрам, таким как направление электронных вращений на каждом ионе Mn или положении ионов Mn – пока вычисленный PDF не согласился с измеренным PDF. Оба из этих возможностей моделирования доступны в программе, названной mPDF, который команда недавно сделала доступным для других ученых.
При температурах выше 118 Келвина измерения показали, что местное строение атома MnO было немного искажено от кубического до rhombohedral, в то время как средняя структура дальнего действия осталась кубической. Анализ сигналов mPDF подтвердил существование малой дальности магнитные корреляции при этих температурах и показал, что они тонко отличаются от тех в магнитной структуре дальнего действия.«Местная структура показывает немного отличающийся тип магнитного заказа, чем найденный в средней структуре низкой температуры – например, у вторых самых близких соседних вращений есть значительно более сильные местные корреляции, чем ожидалось бы от структуры низкой температуры», сказал Фрэндсен. «Наши экспериментальные сигналы mPDF не соответствуют сигналам, произведенным известным магнитным заказом дальнего действия».
Чтобы сравнить конкурирующие теории для магнитного обмена, Джули Стонтон из Уорикского университета возглавила команду в вычислении магнитных корреляций при высоких температурах для нескольких различных магнитных обменных отношений между первым – и вторыми самыми близкими соседями. Ценность этих отношений теоретически предсказана, чтобы быть ниже для взаимодействий во власти суперобмена и выше для прямого обмена.
Используя расчетные магнитные корреляции, ученые тогда вычислили mPDF и сравнили его с экспериментальными данными. Предсказанные и экспериментально наблюдаемые отношения были близки в стоимости, и оба указали на суперобменную модель магнитных взаимодействий в MnO.Теперь, когда ученые знают, что суперобмен – доминирующий механизм для магнитного обмена в MnO, следующий шаг должен определить почему.
Биллиндж и Фрэндсен также интересуются использованием их техники, чтобы исследовать магнитные взаимодействия в других материалах.«Наша техника обеспечивает новый диагностический инструмент для изучения физики решительно коррелированых электронных систем.
Если мы можем понять физику этих систем – как их магнитные, электронные, и структурные свойства имеют отношение – мы можем проектировать новые материалы для определенных заявлений», сказал Биллиндж.