Квазикристаллы представляют собой твердые материалы с необычной атомной структурой: их порядок далек от периодичности обычных кристаллов, но сохраняет дальний порядок и уникальные симметрии, недоступные классической кристаллографии. Именно эта особенность делает квазикристаллы объектом пристального внимания физиков и материаловедов, особенно после присуждения Нобелевской премии за их открытие.
С момента появления квазикристаллов ученые пытались реализовать их потенциально уникальные магнитные свойства. Особый интерес представляла возможность появления в квазипериодических структурах не только ферромагнетизма, но и антимагнитного — антиферромагнетизма. Несмотря на то, что ферромагнетизм был недавно обнаружен в икосаэдрических квазикристаллах на основе золота, галлия и редкоземельных элементов (Au-Ga-R iQC), вопрос о существовании антиферромагнитного порядка в квазикристаллах оставался открытым. Теоретические работы предполагали такую возможность, однако все попытки экспериментального обнаружения приводили лишь к состоянию "спинового стекла", а не к дальнему антимагнитному порядку.
Прорыв произошел благодаря исследовательской группе под руководством Рюдзи Тамуры из Токийского университета наук в сотрудничестве с Такаки Абэ (ТУС), Таку Дж. Сато (Университет Тохоку) и Максом Авдеевым (Австралийская организация ядерных наук и Университет Сиднея). Их работа, опубликованная в журнале Nature Physics, впервые экспериментально зафиксировала антиферромагнитный порядок в реальном квазикристалле.
Объектом исследования стал новый икосаэдрический квазикристалл типа Цая — Au-In-Eu, включающий золото, индий и европий. Для него характерны пятерная, тройная и двойная симметрии вращения. Ключевым экспериментом стали измерения магнитной восприимчивости: при охлаждении материала наблюдался резкий пик (кусп) при температуре 6,5 К, что свидетельствует о фазовом переходе к антиферромагнитному состоянию. Измерения теплоемкости подтвердили наличие дальнего магнитного порядка при той же температуре.
Решающим аргументом стали нейтронографические эксперименты, проведенные при 10 К и 3 К. При 3 К появились дополнительные магнитные пики Брегга, резкое увеличение которых в районе 6,5 К окончательно подтвердило возникновение дальнего антиферромагнитного порядка в квазипериодическом материале.
Интересной особенностью нового квазикристалла стала положительная температура Кюри-Вейсса — ранее для магнитных икосаэдрических квазикристаллов она была отрицательной. Повышение отношения электронов к атому (за счет элементного замещения) приводило к исчезновению антиферромагнитной фазы и к переходу материала в спиновое стекло. Это позволяет управлять магнитными свойствами квазикристаллов, манипулируя их химическим составом.
Рюдзи Тамура отметил: «Как и в первом сообщении об антиферромагнетизме в периодическом кристалле в 1949 году, мы представляем первое экспериментальное свидетельство возникновения антиферромагнетизма в икосаэдрическом квазикристалле». Он добавил: «Это открытие наконец-то разрешает давний вопрос о возможности антиферромагнитного порядка в реальных квазикристаллах. Антиферромагнитные квазикристаллы могут дать начало невиданным ранее функциям, таким как ультрамягкие магнитные отклики, и вызвать революцию в спинтронике и магнитном охлаждении».
Полученные результаты не только закрывают десятилетиями существовавший фундаментальный вопрос, но и открывают путь к созданию новых устройств на основе квазикристаллов для спинтроники и энергоэффективной электроники. Открытие напрямую связано с целями устойчивого развития ООН: доступной и чистой энергетикой (SDG 7), а также индустриальными инновациями и инфраструктурой (SDG 9), поскольку позволяет разрабатывать более эффективные электронные компоненты. Новый класс квазипериодических антиферромагнетиков может стать основой для дальнейших научных открытий и технологических прорывов.
Изображение носит иллюстративный характер
С момента появления квазикристаллов ученые пытались реализовать их потенциально уникальные магнитные свойства. Особый интерес представляла возможность появления в квазипериодических структурах не только ферромагнетизма, но и антимагнитного — антиферромагнетизма. Несмотря на то, что ферромагнетизм был недавно обнаружен в икосаэдрических квазикристаллах на основе золота, галлия и редкоземельных элементов (Au-Ga-R iQC), вопрос о существовании антиферромагнитного порядка в квазикристаллах оставался открытым. Теоретические работы предполагали такую возможность, однако все попытки экспериментального обнаружения приводили лишь к состоянию "спинового стекла", а не к дальнему антимагнитному порядку.
Прорыв произошел благодаря исследовательской группе под руководством Рюдзи Тамуры из Токийского университета наук в сотрудничестве с Такаки Абэ (ТУС), Таку Дж. Сато (Университет Тохоку) и Максом Авдеевым (Австралийская организация ядерных наук и Университет Сиднея). Их работа, опубликованная в журнале Nature Physics, впервые экспериментально зафиксировала антиферромагнитный порядок в реальном квазикристалле.
Объектом исследования стал новый икосаэдрический квазикристалл типа Цая — Au-In-Eu, включающий золото, индий и европий. Для него характерны пятерная, тройная и двойная симметрии вращения. Ключевым экспериментом стали измерения магнитной восприимчивости: при охлаждении материала наблюдался резкий пик (кусп) при температуре 6,5 К, что свидетельствует о фазовом переходе к антиферромагнитному состоянию. Измерения теплоемкости подтвердили наличие дальнего магнитного порядка при той же температуре.
Решающим аргументом стали нейтронографические эксперименты, проведенные при 10 К и 3 К. При 3 К появились дополнительные магнитные пики Брегга, резкое увеличение которых в районе 6,5 К окончательно подтвердило возникновение дальнего антиферромагнитного порядка в квазипериодическом материале.
Интересной особенностью нового квазикристалла стала положительная температура Кюри-Вейсса — ранее для магнитных икосаэдрических квазикристаллов она была отрицательной. Повышение отношения электронов к атому (за счет элементного замещения) приводило к исчезновению антиферромагнитной фазы и к переходу материала в спиновое стекло. Это позволяет управлять магнитными свойствами квазикристаллов, манипулируя их химическим составом.
Рюдзи Тамура отметил: «Как и в первом сообщении об антиферромагнетизме в периодическом кристалле в 1949 году, мы представляем первое экспериментальное свидетельство возникновения антиферромагнетизма в икосаэдрическом квазикристалле». Он добавил: «Это открытие наконец-то разрешает давний вопрос о возможности антиферромагнитного порядка в реальных квазикристаллах. Антиферромагнитные квазикристаллы могут дать начало невиданным ранее функциям, таким как ультрамягкие магнитные отклики, и вызвать революцию в спинтронике и магнитном охлаждении».
Полученные результаты не только закрывают десятилетиями существовавший фундаментальный вопрос, но и открывают путь к созданию новых устройств на основе квазикристаллов для спинтроники и энергоэффективной электроники. Открытие напрямую связано с целями устойчивого развития ООН: доступной и чистой энергетикой (SDG 7), а также индустриальными инновациями и инфраструктурой (SDG 9), поскольку позволяет разрабатывать более эффективные электронные компоненты. Новый класс квазипериодических антиферромагнетиков может стать основой для дальнейших научных открытий и технологических прорывов.
