Шпинели состоят из плотно упакованных, высокосимметричных плоскостей атомов кислорода (что-то вроде плотно упакованной коробки из мрамора), в промежутках между которыми размещены различные металлические элементы. В результате возникает очень много различных типов соединений, которые используются в добывающей промышленности и в качестве жаропрочных и магнитных материалов. Внедренные ионы металлов в шпинельной системе Ni1-xCuxCr2O4 вызывают искажение кристаллической структуры.
Кроме того, они также отображают магнитные моменты из-за геометрической структуры, которую нельзя ориентировать, как в противном случае. В результате возникает новый впечатляющий порядок, зависящий от температуры.
Команда HZB теперь всесторонне проанализировала систему хром-шпинель и впервые объяснила сложную фазовую диаграмму на фундаментальном уровне.Подготовка серии образцовЧтобы приготовить образцы высокой чистоты с точным соотношением никеля и меди, Майклу Товару сначала пришлось значительно улучшить технику приготовления.
Серия начинается с образцов чистой никель-хромовой шпинели (x = 0; зеленый порошок) и продолжается с увеличением доли меди. Это приводит к тому, что образцы становятся все более темными.
При 100% содержании меди порошок в конечном итоге становится черным. Порошки состоят из мелких кристаллических зерен диаметром от 30 до 50 микрон.
Интересным в этой серии смешанных кристаллов является то, что атомы никеля или меди находятся в так называемых тетрагональных участках кристаллической структуры. Из-за различной конфигурации электронов эти тетраэдры вытягиваются вдоль кристаллографической оси c для никеля, тогда как для меди они сжимаются (эффект Яна-Теллера). Таким образом, можно контролировать искажение кристаллической структуры, что, в свою очередь, влияет на магнитное упорядочение.
Фазовая диаграмма от 2 до 900 КельвиновИспользуя эксперименты по рассеянию нейтронов на исследовательском реакторе BER II, Манфред Рихуис и Майкл Товар успешно определили структурные и магнитные свойства каждого из образцов смешанных кристаллов в довольно широком диапазоне температур, от почти нулевой точки температурной шкалы Кельвина до выше 900 К. Двое ученых открыли новое магнитное упорядочение и впервые смогли создать полную фазовую диаграмму системы. Это показывает, что кристаллическая структура кубическая (три прямых угла, три равных края) при высоких температурах, поскольку кинетическая энергия атомов все еще подавляет эффект Яна-Теллера, и магнитное упорядочение не может быть установлено.
При понижении температуры на первый план выходит эффект Яна-Теллера, который вызывает снижение симметрии кристалла сначала до тетрагональной (три прямых угла, два равных края) и, наконец, ромбической (три прямых угла, три неравных края).Новые магнитные фазыИнтересно то, что магнитные фазы встречаются только в ромбической структуре, которая лежит намного ниже комнатной температуры как для чистой никель-шпинели, так и для медной шпинели. «Мы впервые смогли точно определить магнитные характеристики и тем самым доказать, что существует взаимосвязь между условиями магнитного упорядочения и кристаллическими структурами.
Это был вопрос, которым физики занимались более 50 лет», — объясняет Манфред Рихуис.Полуостров орторомбического государстваПри соотношении в смеси 85% никеля и 15% меди шпинельная система демонстрирует своего рода узкий полуостров орторомбического состояния на фазовой диаграмме, где наблюдается [Anm. де Уберс: «нормальный»?] связь симметрии кристалла и магнетизма ненадолго нарушается. Вопреки тому, что предполагалось до сих пор, причиной этого является искажение тетраэдров никеля и меди под углом 90 ° друг к другу, а не в одном направлении.
Это приводит не к взаимному подавлению искажений при данном соотношении компонентов смеси, а к максимальному искажению структуры. «Атомы — это не просто сферы. Они делают сумасшедшие вещи, особенно когда они находятся в геометрической системе, такой как кристалл, а не изолированно», — говорит Майкл Товар.