372
У сполуці YbMnBi₂ дослідники з Університету Райса виявили незвичний магнітний стан, що нагадує рідкий кристал. Це відкриття, описане в журналі Physical Review X, пропонує нове пояснення аномально великого ефекту Холла в цьому матеріалі, повідомляє Interesting Engineering.
Команда встановила, що YbMnBi₂ зберігає напрямлені флуктуації спінів навіть тоді, коли звичайний далекодіючий магнітний порядок уже зникає при нагріванні. Це вказує на раніше недооцінену роль магнітної поведінки у виникненні великого аномального ефекту Холла в цій сполуці та суперечить старішим моделям, які пояснювали її властивості нахилом спінів.
Магнітний порядок зникає, напрямок спінів лишається
У більшості магнітних матеріалів після нагрівання вище температури впорядкування спіни втрачають організовану структуру й орієнтуються хаотично. У YbMnBi₂ відбувається інший сценарій: спіни мангану продовжують флуктуювати, але віддають перевагу певним напрямкам навіть після зникнення далекодіючого порядку.
Таку поведінку фізик Пенчен Дай (Pengcheng Dai) та його колеги описують як «магнітний рідкий кристал». Аналогія полягає в тому, що, подібно до молекул у рідких кристалах, спіни можуть вільно «рухатись», але все ще зберігають орієнтаційну впорядкованість.
Щоб зафіксувати цю картину, команда провела нейтронні експерименти на реакторі High Flux Isotope Reactor та джерелі Spallation Neutron Source в Національній лабораторії Оук-Рідж. Дані показали, що спіни мангану в об’ємі матеріалу залишаються по суті вирівняними, а не нахиленими, як припускали деякі попередні моделі.
Раніше частина дослідників пропонувала, що саме нахилені (canted) спіни можуть створювати т. зв. стан Вейля, який і пояснює незвичайну електричну відповідь сполуки. Однак нові нейтронні вимірювання цю картину не підтвердили: спіни виявилися здебільшого колінеарними.
Роль ітербію у дивному магнетизмі
Після цього вчені перевірили, що станеться, якщо вилучити з системи магнітний ітербій. Для порівняння вони дослідили споріднену сполуку CaMnBi₂, де ітербій замінено немагнітним кальцієм.
У кальцієвому варіанті YbMnBi₂ напрямлені спінові флуктуації зникли. Це дало змогу зробити висновок, що саме ітербій відіграє ключову роль у формуванні незвичного магнітного стану.
Подальші вимірювання показали, що частина іонів ітербію має власні магнітні моменти. Ці моменти реагують на прикладене магнітне поле та взаємодіють зі спінами мангану. Обчислення команди свідчать, що така взаємодія може впливати й на те, як електрони рухаються через кристалічну решітку YbMnBi₂.
Новий погляд на аномальний ефект Холла
За класичного ефекту Холла в провіднику з’являється поперечна напруга, якщо через нього пропускають струм у присутності магнітного поля. У магнітних матеріалах споріднена реакція може виникати навіть без зовнішнього поля — це аномальний ефект Холла.
YbMnBi₂ демонструє особливо великий аномальний ефект Холла, і дослідники тепер пов’язують його з незвичайними магнітними флуктуаціями. Їхня модель зводить воєдино магнітні моменти ітербію та напрямлено-флуктуючі спіни мангану.
При накладенні магнітного поля ці взаємодії можуть упорядковуватися так, що траєкторії електронів відхиляються сильніше, ніж за звичайних умов. На думку авторів, саме спільна дія моментів ітербію та спінових флуктуацій мангану змінює рух електронів і робить холлівську відповідь такою великою.
Результати дають фізикам новий інструмент для вивчення аномального ефекту Холла і показують, що «магнітний безлад» не завжди означає повну випадковість. У YbMnBi₂ спіни втрачають далекодіючий порядок, але зберігають напрямлені переваги — саме це й формує магнітний стан, який більше схожий на рідкий кристал, ніж на звичайний нагрітий магніт.
Рідкісноземельна сполука виявила магнітний стан рідкого кристалу з’явилася спочатку на Цікавості.
