Durante casi 60 años, los científicos han estado tratando de determinar cómo el óxido de manganeso MnO logra su orden magnético de largo alcance de espines de electrones alternando hacia arriba y hacia abajo. Ahora, un equipo de científicos ha utilizado su enfoque matemático recientemente desarrollado para estudiar elLas interacciones magnéticas de corto alcance que creen que impulsan este orden de largo alcance. Al comparar las mediciones de las interacciones magnéticas locales en MnO con las predichas por modelos teóricos competitivos, determinaron que la alineación antiparalela del espín de electrones se debe a los iones vecinos de Mn que interactúan magnéticamente a través deun ión de oxígeno no magnético intermediario, un mecanismo llamado superexcambio.
La investigación se describió en un artículo publicado el 11 de mayo en Cartas de revisión física por una colaboración de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, la Universidad de Columbia, los Laboratorios Nacionales Oak Ridge y Los Alamos del DOE, el Instituto Laue-Langevin en Francia y la Universidad de Warwick en Inglaterra. El enfoque matemático, llamado análisis de la función de distribución de pares magnéticos mPDF, desarrollado en Brookhaven Lab y la Universidad de Columbia. Es muy prometedor como una nueva herramienta para comprender las propiedades magnéticas de los superconductores, óxidos de metales de transición y otros materiales cuyos electrones interactúan fuertemente.
"Esta investigación demuestra que nuestra técnica se puede utilizar para estudiar el magnetismo local fluctuante y proporcionar importantes conocimientos científicos sobre las propiedades magnéticas de un material, que están estrechamente relacionadas con su capacidad para conducir electricidad sin resistencia superconductividad, cambiar la resistencia eléctrica bajo una aplicacióncampo magnético magnetorresistencia y transición de un estado conductor a uno aislante ", dijo el físico de Brookhaven Lab y profesor de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Columbia, Simon Billinge, autor principal del artículo y co-desarrollador de mPDF." Si podemos entender cómo los materialesobtenga estas propiedades, podemos hacer que la transmisión de energía sea más eficiente, aumentar la capacidad de almacenamiento de datos y construir componentes eléctricos más pequeños ".
Magnetismo en óxido de manganeso
A bajas temperaturas, los momentos magnéticos, o giros de electrones, de los iones Mn vecinos se alinean espontáneamente en un patrón ordenado, alternando arriba-abajo-arriba-abajo. A medida que aumenta la temperatura, los momentos magnéticos comienzan a vibrar y disminuyen.Por encima de una temperatura crítica de 118 Kelvin, el orden antiparalelo de largo alcance parece desaparecer por completo, con los momentos magnéticos fluctuando aleatoriamente.
Sin embargo, incluso por encima de 118 Kelvin, los científicos han observado restos fugaces de orden magnético de corto alcance en los momentos fluctuantes, que se espera que contengan información crucial sobre la naturaleza de las interacciones magnéticas. Desafortunadamente, estas correlaciones de corto alcance han sidomuy difícil de estudiar porque las técnicas de medición convencionales no son lo suficientemente sensibles como para capturar los detalles de las correlaciones, como la forma en que se organizan los momentos magnéticos en la escala nanométrica. mPDF está destinado a rectificar este problema.
"El objetivo final de nuestra investigación es comprender qué hace que estos momentos magnéticos se alineen", dijo Billinge.
En la estructura de MnO, hay cadenas de Mn-O-Mn, y el ion O puede servir como un "puente" para el segundo vecino más cercano de iones Mn para intercambiar información magnética a través de saltos de electrones, una interacción llamada superexcambio. Alternativamente, Los iones Mn pueden intercambiar directamente información magnética a través de los primeros vecinos más cercanos iones que son diagonales entre sí mediante saltos de electrones directos a través del espacio. Se sabe que se producen ambos mecanismos, pero no está claro cuál es el dominante.
"Determinar cuál de estas dos interacciones, aquellas entre las vueltas vecinas más cercanas o las vueltas vecinas más cercanas, es la principal responsable del orden de los momentos magnéticos es clave para comprender cómo el material obtiene sus propiedades magnéticas", dijo Benjamin Frandsen, un estudiante graduado de la Universidad de Columbia en el grupo de Billinge y el desarrollador principal de mPDF.
Examinar las correlaciones magnéticas de corto alcance que existen por encima de la temperatura crítica proporciona información única sobre las interacciones magnéticas que impulsan las correlaciones de largo alcance a temperaturas más bajas.
"A medida que aumenta la temperatura, se pierden las correlaciones magnéticas en los rangos largos. Cinco vecinos de un ion Mn, los espines electrónicos son completamente al azar", dijo Billinge. "Pero hay restos de cómo se veía el estado ordenado localmenteUsando mPDF, podemos medir parches de orden magnético restante, incluso cuando estos parches son fluctuantes y están ordenados solo a corto plazo, y comparar predicciones de modelos competidores basados en interacciones de intercambio superior versus de intercambio directo ".
Análisis de datos de dispersión nuclear y magnética
Para medir las correlaciones, el equipo realizó primero experimentos de dispersión de neutrones para recopilar los datos necesarios para aplicar su técnica. Dirigieron haces de neutrones a una muestra de polvo de MnO para temperaturas entre 15 Kelvin y 300 Kelvin y detectaron el ángulo y la energía aque los neutrones se dispersaron después de interactuar con la muestra. Midieron dos tipos de señales de dispersión: nuclear cómo interactuaron los neutrones con los núcleos atómicos de la muestra y magnética cómo interactuaron los momentos magnéticos de los neutrones con los momentos magnéticos de los iones Mn.
A partir de estas señales, el equipo calculó simultáneamente las funciones de distribución de pares atómicos y magnéticos PDF, ecuaciones matemáticas que representan correlaciones en una muestra. El PDF atómico es la probabilidad de encontrar dos átomos separados por una distancia dada. El PDF magnéticoes similar al PDF atómico pero también codifica información sobre las orientaciones relativas de los espines de electrones.
Luego, los científicos compararon estas mediciones experimentales con las señales PDF calculadas por modelos estructurales y magnéticos de MnO. También ajustaron modelos de estructura atómica y orden magnético a los datos experimentales de PDF, cambiando parámetros de forma iterativa, como la dirección de los giros de electrones encada ion Mn o la posición de los iones Mn, hasta que el PDF calculado concuerde con el PDF medido. Ambas capacidades de modelado están disponibles en un programa de software llamado mPDF que el equipo recientemente puso a disposición de otros científicos.
A temperaturas superiores a 118 Kelvin, las mediciones revelaron que la estructura atómica local de MnO estaba ligeramente distorsionada de cúbica a romboédrica, mientras que la estructura promedio de largo alcance seguía siendo cúbica. El análisis de las señales mPDF confirmó la existencia de correlaciones magnéticas de corto alcance enestas temperaturas y revelaron que son sutilmente diferentes de las de la estructura magnética de largo alcance.
"La estructura local exhibe un tipo de orden magnético ligeramente diferente al que se encuentra en la estructura promedio de baja temperatura; por ejemplo, los segundos giros vecinos más cercanos tienen correlaciones locales significativamente más fuertes de lo que cabría esperar de la estructura de baja temperatura", dijo Frandsen." Nuestras señales experimentales de mPDF no coinciden con las señales generadas por el orden magnético conocido de largo alcance ".
Para comparar las teorías competidoras del intercambio magnético, Julie Staunton, de la Universidad de Warwick, dirigió al equipo en el cálculo de las correlaciones magnéticas a altas temperaturas para varias relaciones de intercambio magnético diferentes entre el primer y el segundo vecino más cercano. El valor de estas relaciones es teóricamentese pronostica que será menor para las interacciones dominadas por el superexcambio y mayor para el intercambio directo. Utilizando las correlaciones magnéticas calculadas, los científicos calcularon el mPDF y lo compararon con los datos experimentales. Las relaciones predichas y observadas experimentalmente tenían un valor cercano, y ambas apuntaban haciaUn modelo de superrecambio de interacciones magnéticas en MnO.
Ahora que los científicos saben que el superexcambio es el mecanismo dominante para el intercambio magnético en MnO, el siguiente paso es determinar por qué.
Billinge y Frandsen también están interesados en usar su técnica para explorar las interacciones magnéticas en otros materiales.
"Nuestra técnica proporciona una nueva herramienta de diagnóstico para estudiar la física de los sistemas de electrones fuertemente correlacionados. Si podemos comprender la física de estos sistemas, cómo se relacionan sus propiedades magnéticas, electrónicas y estructurales, podemos diseñar nuevos materiales para determinadosaplicaciones ", dijo Billinge.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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