Mionska spektroskopija je važna eksperimentalna tehnika koju naučnici koriste za proučavanje magnetnih svojstava materijala. Zasnovan je na „implantaciji“ spin-polarizovanog miona u kristal i merenju kako okolina utiče na njegovo ponašanje.
Tehnika se oslanja na ideju da će mion zauzeti dobro identifikovano mesto koje je uglavnom određeno elektrostatičkim silama, a koje se može naći izračunavanjem elektronske strukture materijala.
Ali nova studija koju su vodili naučnici u Italiji, Švajcarskoj, Velikoj Britaniji i Nemačkoj otkrila je da, barem za neke materijale, to nije kraj priče: mesto miona se može promeniti zbog dobro poznatog, ali ranije zanemarenog efekta, magnetostrikcija.
Pietro Bonfa sa Univerziteta u Parmi, vodeći autor studije objavljene u Phisical Reviev Letters, objašnjava da njegova grupa i njihove kolege sa Univerziteta u Oksfordu (Velika Britanija) koriste simulacije teorije funkcionalne gustine (DFT) najmanje deceniju da pronađe mionska mesta.
„Počeli smo sa lukavim slučajevima, kao što su evropijum oksid i mangan oksid, i u oba slučaja nismo mogli da pronađemo razuman način da pomirimo DFT predviđanja i eksperimente“, kaže on.
„Tada smo testirali jednostavnije sisteme i imali smo mnogo uspešnih predviđanja, ali ta dva slučaja su nas zaista mučila. Ova jedinjenja bi trebalo da budu laka, a umesto toga su se ispostavilo da su super komplikovana i nismo razumeli šta se dešava. Mangan oksid je slučaj iz udžbenika antiferomagnetnog sistema, i nismo mogli da objasnimo rezultate mionske spektroskopije za njega, što je bilo pomalo neprijatno.“
Problem je, objašnjava on, bila u suprotnosti između očekivanja da se mion nađe u položaju visoke simetrije i njegove dobro poznate tendencije da se vezuje sa atomima kiseonika. Antiferomagnetni poredak materijala smanjuje simetriju, a položaj blizu atoma kiseonika postaje nekompatibilan sa eksperimentima.
Bonfa je posumnjao da bi objašnjenje moglo biti povezano sa materijalom koji prolazi kroz magnetnu fazu i počeo je da pokušava da reprodukuje taj fenomen u simulacijama mangan oksida.
„Pošto je to komplikovan sistem, morate dodati neke korekcije DFT-u, kao što je Habardov U parametar“, rekao je on. „Ali mi smo empirijski birali njegovu vrednost, a kada to uradite, imate mnogo neizvesnosti, a rezultati se mogu dramatično promeniti u zavisnosti od vrednosti koju odaberete.“
Ipak, Bonfine početne simulacije sugerisale su da položaj miona može biti vođen magnetostrikcijom, fenomenom koji uzrokuje da materijal menja svoj oblik i dimenzije tokom magnetizacije. Da bi to dokazao van svake sumnje, udružio se sa laboratorijama MARVEL na EPFL i PSI Nikole Marzarija i Đovanija Pizija.
„Koristili smo najsavremeniju metodu pod nazivom DFT+U+V, što je bilo veoma važno da simulacije budu preciznije“, objašnjava Iurii Timrov, naučnik iz Laboratorije za simulacije materijala na PSI i koautor studija.
Ova metoda se može koristiti sa Habardovim parametrima na lokaciji U i intersite V koji su izračunati iz prvih principa umesto da se biraju empirijski, zahvaljujući upotrebi teorije perturbacije funkcionalne gustine za DFT+U+V koja je razvijena u MARVEL-u i implementirana u Kuantum ESPRESSO paket.
„Iako smo već shvatili da je magnetostrikcija u igri, posedovanje tačnih informacija o građevinskim blokovima simulacije bilo je veoma važno, a to je proizašlo iz Iuriijevog rada“, dodaje Bonfa.
Na kraju, rešenje zagonetke je bilo relativno jednostavno: magnetostrikcija, koja predstavlja interakciju između magnetnih i elastičnih stepena slobode u materijalu, izaziva magnetni fazni prelaz u MnO na 118K, pri čemu se menja mesto miona. Iznad te temperature, mion postaje delokalizovan oko mreže ekvivalentnih mesta – što objašnjava neobično ponašanje uočeno u eksperimentima na visokim temperaturama.
Naučnici očekuju da isto može biti tačno i za mnoge druge magnetne okside strukturirane kamenom soli.
U budućnosti, objašnjava Timrov, grupa želi da nastavi da proučava isti materijal, uključujući temperaturne efekte, koristeći drugu naprednu tehniku razvijenu u MARVEL-u i nazvanu stohastička samokonzistentna harmonska aproksimacija.
Pored toga, iu saradnji sa grupom Đovanija Pizija na Institutu Paul Scherrer, ovaj pristup će biti dostupan zajednici preko interfejsa AiiDAlab, tako da svi eksperimentalisti mogu da ga koriste za svoje studije.
