Comportement modélisé cohérent avec les résultats d’expériences d’aimants hélicoïdaux

Les matériaux de l’étude sont magnétiques à basse température et deviennent non magnétiques lorsqu’ils dégèlent. Le physicien expérimental Makariy Tanatar du Ames National Laboratory de l’Iowa State University a remarqué un comportement électronique déroutant dans les cristaux hélimagnétiques en couches et a porté le mystère à l’attention du physicien théoricien de Rice Andriy Nevidomskyy, qui a travaillé avec Tanatar et l’ancien étudiant diplômé de Rice Matthew Butcher pour créer un modèle informatique qui simulait les états quantiques des atomes et des électrons dans les matériaux en couches.

Les matériaux magnétiques subissent une transition de “décongélation” lorsqu’ils se réchauffent et deviennent non magnétiques. Les chercheurs ont exécuté des milliers de simulations informatiques de Monte Carlo de cette transition dans des héliaimants et ont observé comment les dipôles magnétiques des atomes à l’intérieur du matériau se sont arrangés pendant le dégel. Leurs résultats ont été publiés dans une étude récente dans Physical Review Letters.

Au niveau submicroscopique, les matériaux étudiés sont composés de milliers de cristaux 2D empilés les uns sur les autres comme les pages d’un cahier. Dans chaque feuille de cristal, les atomes sont disposés en réseaux et les physiciens ont modélisé les interactions quantiques à la fois à l’intérieur et entre les feuilles.

“Nous avons l’habitude de penser que si vous prenez un solide, comme un bloc de glace, et que vous le chauffez, il finira par devenir un liquide, et à une température plus élevée, il s’évaporera et deviendra un gaz”, a déclaré Nevidomskyy. , professeur agrégé de physique et d’astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative. “Une analogie similaire peut être faite avec des matériaux magnétiques, sauf que rien ne s’évapore dans le vrai sens du terme.

“Le cristal est toujours intact”, a-t-il déclaré. “Mais si vous regardez l’arrangement des petits dipôles magnétiques – qui sont comme des aiguilles de boussole – ils commencent dans un arrangement corrélé, ce qui signifie que si vous savez dans quelle direction l’un d’eux pointe, vous pouvez déterminer dans quelle direction l’un d’entre eux eux points, quelle que soit leur distance dans le réseau. C’est l’état magnétique – le solide dans notre analogie. Au fur et à mesure que vous chauffez, les dipôles finiront par devenir complètement indépendants, ou aléatoires, les uns par rapport aux autres. C’est connu comme un paramagnétique, et il est analogue à un gaz.”

Nevidomskyy a déclaré que les physiciens pensent généralement aux matériaux ayant un ordre magnétique ou en étant dépourvus.

“Une meilleure analogie du point de vue classique serait un bloc de neige carbonique”, a-t-il déclaré. “Cela oublie en quelque sorte la phase liquide et passe directement de la glace au gaz. C’est à cela que ressemblent généralement les transitions magnétiques dans les manuels. On nous apprend que vous commencez avec quelque chose de corrélé, disons un ferromagnétique, et à un moment donné le paramètre d’ordre disparaît et vous vous retrouvez avec un paramagnétique.”

Tanatar, chercheur au Laboratoire de supraconductivité et de magnétisme à basse température d’Ames, avait trouvé des signes indiquant que la transition de l’ordre magnétique au désordre dans les aimants hélicoïdaux était marquée par une phase transitoire dans laquelle les propriétés électroniques, comme la résistance, différaient selon la direction. Par exemple, ils pourraient différer s’ils étaient mesurés horizontalement, d’un côté à l’autre, par opposition à la verticale de haut en bas. Ce comportement directionnel, que les physiciens appellent anisotropie, est une caractéristique de nombreux matériaux quantiques comme les supraconducteurs à haute température.

“Ces matériaux en couches n’ont pas la même apparence dans les directions verticale et horizontale”, a déclaré Nevidomskyy. “C’est l’anisotropie. L’intuition de Makariy était que l’anisotropie affectait la façon dont le magnétisme fond dans le matériau, et notre modélisation a démontré que c’était vrai et a montré pourquoi cela se produit.”

Le modèle a montré que le matériau passe par une phase intermédiaire lorsqu’il passe de l’ordre magnétique au désordre. Dans cette phase, les interactions dipolaires sont beaucoup plus fortes à l’intérieur des feuilles qu’entre elles. De plus, les corrélations entre les dipôles ressemblaient à celles d’un liquide plutôt qu’à un solide. Le résultat est “des flaques aplaties de liquides magnétiques qui s’empilent comme des crêpes”, a déclaré Nevidomskyy. Dans chaque crêpe en forme de flaque, les dipôles pointent à peu près dans la même direction, mais ce sens de direction varie entre les crêpes voisines.

“C’est un tas d’atomes, tous avec leurs dipôles pointant dans la même direction”, a déclaré Nevidomskyy. “Mais alors, si vous montez d’un calque, tous pointent dans une direction aléatoire différente.”

L’arrangement atomique dans le matériau “frustre” les dipôles et les empêche de s’aligner dans une direction uniforme dans tout le matériau. Au lieu de cela, les dipôles dans les couches se déplacent, tournant légèrement en réponse aux changements des crêpes voisines.

“Les frustrations rendent difficile pour les flèches, ces dipôles magnétiques, de décider où elles veulent pointer, sous un angle ou un autre”, a déclaré Nevidomskyy. “Et pour soulager cette frustration, ils ont tendance à tourner et à se déplacer dans chaque couche.”

Tanatar a déclaré: “L’idée est que vous avez deux phases magnétiques concurrentes. Elles se combattent et, par conséquent, vous avez une température de transition pour ces phases qui est inférieure à ce qu’elle serait sans compétition. Et dans ce scénario de compétition, le les phénomènes qui conduisent à l’ordre magnétique sont différents des phénomènes lorsque vous n’avez pas cette compétition.”

Tanatar et Nevidomskyy ont déclaré que bien qu’il n’y ait pas d’application immédiate pour la découverte, elle peut néanmoins offrir des indices sur la physique encore inexpliquée d’autres matériaux anisotropes comme les supraconducteurs à haute température.

Malgré son nom, la supraconductivité à haute température se produit à des températures très froides. Une théorie suggère que les matériaux peuvent devenir supraconducteurs lorsqu’ils sont refroidis au voisinage d’un point critique quantique, une température suffisante pour supprimer l’ordre magnétique à longue portée et donner lieu à des effets provoqués par de fortes fluctuations quantiques. Par exemple, il a été démontré que plusieurs matériaux “parents” magnétiques hébergent une supraconductivité proche d’un point critique quantique où le magnétisme disparaît.

“Une fois que vous supprimez l’effet principal, l’ordre magnétique à longue portée, vous pouvez céder la place à des effets plus faibles comme la supraconductivité”, a déclaré Tanatar. “C’est l’une des principales théories de la supraconductivité non conventionnelle. Dans notre étude, nous montrons que vous pouvez faire la même chose d’une manière différente, avec frustration ou interactions concurrentes.”

Butcher a effectué les calculs de Monte Carlo en tant que doctorant. étudiant dans le groupe de recherche de Nevidomskyy. Il a obtenu son doctorat de Rice en 2022 et est maintenant ingénieur scientifique aux laboratoires de recherche appliquée de l’Université du Texas à Austin.

La recherche a été soutenue par la Fondation Welch (C-1818), par la Division des sciences et de l’ingénierie des matériaux du programme Sciences de l’énergie de base du Département de l’énergie (DE-AC02-07CH11358) et la National Science Foundation (1917511, 1607611, 1338099). Les travaux de calcul ont été soutenus par le Center for Research Computing de l’Université Rice.