Uznemirujući okreti elektrona u magnetu obično rezultiraju pobudama koje se nazivaju „spin talasi“ koji se talasaju kroz magnet poput talasa na jezeru u koji je udario kamenčić. U novoj studiji, fizičari sa Univerziteta Rajs i njihovi saradnici otkrili su dramatično različite pobude nazvane „spin eksitoni“ koji takođe mogu da „talasaju“ kroz magnet na bazi nikla kao koherentni talas.
U studiji objavljenoj u Nature Communications, istraživači su prijavili pronalaženje neobičnih svojstava u nikl molibdatu, slojevitom magnetnom kristalu. Subatomske čestice koje se nazivaju elektroni podsećaju na male magnete i obično se orijentišu kao igle kompasa u odnosu na magnetna polja. U eksperimentima u kojima su neutroni bili rasejani od magnetnih jona nikla unutar kristala, istraživači su otkrili da se dva najudaljenija elektrona iz svakog jona nikla ponašaju drugačije. Umesto da poravnaju svoje okrete kao igle kompasa, njih dvoje su poništili jedno drugo u fenomenu koji fizičari nazivaju spin singlet.
„Takva supstanca uopšte ne bi trebalo da bude magnet“, rekao je Rajsov Pengčeng Dai, odgovarajući autor studije. „A ako se neutron rasprši sa datog jona nikla, pobude treba da ostanu lokalne i ne šire se kroz uzorak.“
Dai i njegovi saradnici su stoga bili iznenađeni kada su instrumenti u eksperimentima rasejanja neutrona otkrili ne jednu, već dve porodice talasa koji se šire, svaki sa dramatično različitim energijama.
Da bi se razumelo poreklo talasa, bilo je neophodno da se udubimo u atomske detalje magnetnih kristala. Na primer, elektromagnetne sile iz atoma u kristalima mogu da se takmiče sa magnetnim poljem i utiču na elektrone unutar susednih atoma. Ovo se zove efekat kristalnog polja, i može naterati spinove elektrona da se orijentišu u pravcima koji se razlikuju od orijentacije magnetnog polja. Ispitivanje efekata kristalnog polja u kristalima nikl molibdata zahtevalo je dodatne eksperimente i teorijsku interpretaciju podataka iz eksperimenata.
„Saradnja između eksperimentalnih grupa i teorije je najvažnija za slikanje pune slike i razumevanje neobičnih spin ekscitacija uočenih u ovom jedinjenju“, rekla je Rajsova koautorka Emilija Morosan.
Morosanova grupa je ispitivala termalni odgovor kristala na promene temperature koristeći specifična merenja toplote. Iz tih eksperimenata, istraživači su zaključili da su se dve vrste okruženja kristalnog polja pojavile u slojevitom nikl molibdatu, i da su dva uticala na jone nikla veoma različito.
„U jednom, efekat polja je prilično slab i odgovara toplotnoj energiji od oko 10 Kelvina“, rekao je koautor studije Andrij Nevidomski, teorijski fizičar u Rajsu koji je pomogao u tumačenju eksperimentalnih podataka. „Možda nije iznenađujuće videti, na temperaturama od nekoliko Kelvina, da neutroni mogu pobuđivati magnetne spin talase od atoma nikla koji su podložni ovoj prvoj vrsti efekta kristalnog polja. Ali je najzbunjujuće videti ih kako dolaze od atoma nikla koji su podložni drugom tipu. Ti atomi imaju tetraedarski raspored kiseonika oko sebe, a efekat električnog polja je skoro 20 puta jači, što znači da je pobude mnogo teže stvoriti.“
Nevidomski je rekao da se ovo može razumeti kao da spinovi odgovarajućih jona nikla imaju različitu „masu“.
„Analogija je ona sa teškim košarkaškim loptama koje su pomešane sa teniskim lopticama“, rekao je on. „Da bi se uzbudili okreti drugog tipa, težih košarkaških lopti, mora se primeniti jači ‘udarac’ tako što će više energičnih neutrona sijati na materijal.“
Rezultirajući efekat na spin nikla naziva se spin eksiton, i normalno bi se očekivalo da će efekat „udara“ koji proizvodi eksciton biti ograničen na jedan atom. Ali merenja iz eksperimenata su pokazala da su se „košarkaške lopte“ kretale unisono, stvarajući neočekivanu vrstu talasa. Još više iznenađujuće, činilo se da talasi opstaju na relativno visokim temperaturama gde se kristali više nisu ponašali kao magneti.
Objašnjenje koje su ponudili Nevidomski i koautor teoretičara Leon Balents sa Kalifornijskog univerziteta u Santa Barbari bilo je da se teži spin eksitoni – po analogiji košarkaške lopte – pomeraju kao odgovor na fluktuacije okolnih, lakši magnetni eksitoni – analogne teniske loptice – i ako su interakcije između dve vrste kuglica dovoljno jake, teži spin eksitoni učestvuju u koherentnom kretanju sličnom talasu.
„Ono što je posebno interesantno“, rekao je Dai, „je da svaka od dve vrste atoma nikla formira trouglastu rešetku, pa su magnetne interakcije unutar ove rešetke stoga frustrirane.
U magnetizmu na trouglastim rešetkama, frustracija se odnosi na poteškoće u poravnavanju svih magnetnih momenata antiparalelno (gore-dole) u odnosu na njihova tri neposredna, najbliža suseda.
Razumevanje uloge magnetnih frustracija u trouglastim rešetkama jedan je od dugotrajnih izazova na kojima Dai i Nevidomskii rade već nekoliko godina.
„Veoma je uzbudljivo pronaći slagalicu, protiv svojih očekivanja, a zatim osetiti zadovoljstvo što ste razumeli njeno poreklo“, rekao je Nevidomski.
Dai, Morosan i Nevidomskii su članovi Rice Kuantum Initiative. Dai je profesor fizike i astronomije Sem i Helen Vorden. Morosan je profesor fizike i astronomije i hemije. Nevidomski je vanredni profesor fizike i astronomije. Eksperimente rasejanja neutrona izveli su Bin Gao i Tong Čen u Daijevoj grupi u saradnji sa naučnicima za instrumente u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž i ISIS Neutron i Muon Source u Rutherford Appleton laboratoriji. Čien-Lung Huang, naučnik u Morosanovoj grupi, izvršio je specifična merenja i analize toplote.
