Estado de giro "sólido" en una red de panal artificial

En ciertos círculos científicos, se está discutiendo la correlación magnética a bajas temperaturas en una red de panal magnético artificial bidimensional. Los teóricos argumentan que dicho sistema es capaz de demostrar la formación de un estado sólido con entropía de espín cero * . Sin embargo, en la práctica, tales propiedades aún no se han descubierto. Este estudio da un paso seguro hacia la comprensión de los fenómenos anteriores. Lo que los investigadores pudieron aprender exactamente lo entenderemos gracias a su informe. Vamos

Entropía *: en palabras simples, este es el estado de un sistema cuyos elementos no están ordenados, es decir caótico

Este estudio se centra en el estudio de la correlación magnética en la red de panal permalloy artificial * . Las dimensiones de los elementos eran de aproximadamente 12 nm (longitud) a 5 nm (ancho) a 10 nm (espesor). Un indicador importante en el proceso de derivación de los resultados del estudio fue la dispersión de neutrones * y la simulación micromagnética dependiente de la temperatura.

Permalloy * es una aleación de hierro y níquel con propiedades magnéticas suaves. Dichos materiales tienen las propiedades de un ferri- o ferromagnet, y su fuerza coercitiva (intensidad de campo magnético necesaria para la desmagnetización completa del material) no es superior a 4 kA / m.

Dispersión de neutrones *: se dividen en dos tipos principales: dispersión elástica y no elástica. Elastic le permite estudiar la estructura de sólidos, líquidos y gases, ya que solo se considera la dispersión cuando los átomos no entran en un estado excitado. En el caso de la dispersión de neutrones no elásticos, se pueden obtener datos sobre enlaces en la materia a través de la ocurrencia de procesos de excitación en los átomos. La dispersión de neutrones es excelente para el análisis de materiales magnéticos, ya que los neutrones tienen propiedades magnéticas y actúan como imanes elementales.

La simulación numérica de reflectometría * datos de neutrones polarizados explica la evolución dependiente de la temperatura de la correlación de espín en este sistema.

Reflectometría de neutrones *: un haz de neutrones incide en una muestra plana que dispersa partículas. Desde cierto ángulo, se hacen observaciones de estas partículas. El espectro angular obtenido nos permite determinar las propiedades magnéticas de los elementos de la muestra de prueba.

A medida que la temperatura disminuye a ≈7 K, el sistema busca desarrollar un nuevo estado sólido de espín, que se manifiesta por la distribución alterna de corrientes de Foucault magnéticas * de quiralidades opuestas * .

Corrientes de Foucault *: corriente eléctrica que surge en los conductores cuando el flujo del campo magnético que actúa sobre ellos cambia con el tiempo.

Chiralidad *: asimetría (falta de simetría) de los lados derecho e izquierdo de un objeto.

Los resultados de la prueba se complementan con simulaciones micromagnéticas dependientes de la temperatura, que confirman el predominio del estado sólido de rotación sobre el estado ordenado de la carga magnética en una red celular artificial. Estos datos permiten estudiar la correlación de un nuevo estado sólido de rotación en una red de panal artificial bidimensional.

Fundamentos del sistema e investigación

Una red de panal bidimensional es una base ideal para probar muchas propiedades de materiales magnéticos, así como su interacción dentro de un solo sistema. Los investigadores prestaron especial atención a cosas tan inusuales como diversos estados de la materia: hielo en rotación * , líquido en rotación * y sólido en rotación, formados por la distribución de corrientes de Foucault magnéticas de quiralidades opuestas.

Spin Ice * es una sustancia en la que los momentos magnéticos de los átomos se ordenan de la misma manera que los protones en el hielo ordinario.

Spin liquid * es un estado de los sistemas donde la palabra "líquido" se usa para enfatizar el hecho de los giros desordenados, que difieren del estado de giro ferromagnético, al igual que el estado del agua (líquido) es diferente del estado del hielo (estructura cristalina). La principal diferencia entre el fluido de centrifugado es la preservación de este estado incluso a las temperaturas más bajas.

Un aspecto importante es el hecho de que una variedad compleja de fases magnéticas de entropía controlada, que se predice que ocurrirá en una red de panal artificial como una función de bajar la temperatura, no puede realizarse en el material de intercambio.

Estudios teóricos recientes sugieren que la red de nido de abeja exhibe las propiedades de un paramagnet * a altas temperaturas, correspondiente a un gas con una carga magnética de ± 1 y ± 3.

Paramagnet *: una sustancia que puede ser magnetizada por un campo magnético externo tiene una susceptibilidad magnética positiva, pero es mucho más baja que la unidad.

Cuando la temperatura disminuye, el sistema cambia de un estado de hielo en rotación, cuando los momentos magnéticos se encuentran en el principio de "2 entradas y 1 salidas" o "1 entradas y 2 salidas". Es decir, 2 momentos magnéticos (o 1 en la segunda realización) se dirigen dentro de la celda de la red de panal, y 1 momento (o 2 en la segunda realización) se dirige hacia afuera.

Una disminución adicional de la temperatura conduce a la formación de un nuevo régimen de ordenamiento, que se caracteriza por un "orden de carga" topológico con una carga magnética de ± 1. ( Imagen No. 3 ).

En este caso, se espera que la cantidad de calor corresponda a la fuerza de la interacción dipolo * (≈D).

Interacción dipolo *: la interacción de dos dipolos magnéticos (el límite de un circuito cerrado de una corriente eléctrica o un par de ventajas, ya que el tamaño de la fuente se reduce a cero, mientras se mantiene un momento magnético constante).

A temperaturas mucho más bajas, el sistema entra en un estado de orden de espín de corrientes parásitas con cero entropía, que en breve se puede llamar el estado de un espín sólido. Esta es una nueva fase magnética con cero entropía y magnetización.


Imagen No. 3 (para facilitar la visualización publicada aquí y más adelante)

Un estudio detallado de los parámetros de reflectometría de neutrones polarizados y dispersión de neutrones de ángulo pequeño * reveló la formación de una dispersión magnética adicional a partir de correlaciones en el plano con una disminución de la temperatura a 7 K.

La dispersión de neutrones de ángulo pequeño * es la dispersión elástica de un haz de neutrones por inhomogeneidades de una sustancia cuyas dimensiones exceden la longitud de onda de radiación, que es λ = 0.1–1 nm.

La dispersión por difusión está perfectamente determinada por la simulación numérica de la configuración de estado sólido del espín, donde los momentos magnéticos junto con los elementos de conexión de la red de panal permalloy exhiben un orden alterno de corrientes parásitas de quiralidades opuestas.

La formación del estado de un espín sólido también se confirmó, independientemente de otros indicadores, mediante el modelado micromagnético dependiente de la temperatura, que mostró el desarrollo de la dependencia de la temperatura de la correlación del espín en una red de panal con las mismas dimensiones de sus elementos.

Por el momento, la base de los intentos de lograr el estado de rotación de un sólido es el método de litografía con haz de electrones para la fabricación de muestras. Este método da como resultado muestras de tamaños pequeños, pero con parámetros elementales grandes. Como regla general, una red de panal de este tipo indica un alto nivel de energía de enlaces interelementales ment104 K.

Sin embargo, recientemente se ha propuesto un nuevo tipo de red de nido de abeja, que consiste en elementos permalloy grandes muy delgados (unos pocos angstroms * ) y bien separados (longitud ≈500 nm, ancho 20-50 nm). En este caso, la energía entre elementos se reduce considerablemente.

Angstrom * - 1 Å = 0.1 nm.

Para las pruebas, se eligió una red de panal con elementos constituyentes muy pequeños, ya que su pequeño tamaño en sí mismo reduce en gran medida la energía electrostática de aproximadamente 12 a 15 K. Por lo tanto, esta opción es la mejor para estudiar la dependencia de la temperatura de las fases magnéticas.

Los resultados de los experimentos y su análisis.

Para crear una red de nido de abeja, fue necesario sintetizar un patrón hexagonal de dibloque de copolímero (que consta de dos bloques emparejados) y conectar permalloy a la superficie del sustrato de silicio en ultra alto vacío * .

Vacío ultra alto *: un medio gaseoso con una densidad de gas muy baja cuando la presión es de 10 ^-9 mm Hg y abajo.

También se usaron patrones de copolímeros dibloque similares para crear materiales nanoestructurados.

En condiciones físicas adecuadas, el copolímero dibloque es propenso a la autoorganización, mientras que una muestra de un solo componente creará grandes estructuras periódicas.

La simplicidad de ajustar las propiedades estructurales y los parámetros de la red cambiando la composición y / o el peso molecular del copolímero dibloque permite crear muchos nanomateriales. Un ejemplo sorprendente es la creación de nanopuntos, nanoanillos y nodos de nanopartículas.

Hace relativamente poco tiempo, los patrones dibloque junto con GLAD (deposición de ángulo de mira) han permitido la creación de estructuras jerárquicas direccionales de nanopartículas metálicas.


Imagen No. 1a

La imagen de arriba ( 1a ) muestra una fotografía de una muestra de celosía celular tomada con un microscopio de fuerza atómica * .

Microscopio de fuerza atómica *: le permite determinar la topografía de la superficie con una resolución de hasta atómica.

Las mediciones obtenidas por dispersión de rayos X de ángulo pequeño en incidencia deslizante (GISAS) mostraron una alta calidad de las estructuras de la muestra. GISAS brinda la oportunidad de considerar con más detalle las características estructurales del sistema. Para tales mediciones, se utilizó una fuente de Ga K _α * con una longitud de onda de 1,34 Å y un ángulo de incidencia de 0,15 °.

Notación Zigban *: en la espectroscopía de rayos X se usa para nombrar las líneas espectrales (una característica de la sección del espectro, que se manifiesta en una disminución o aumento local en el nivel de la señal).

Para atenuar el haz reflejado, se usó una película de acero inoxidable de 1 mm de espesor.


Imagen # 1b

En la imagen de arriba ( 1b ), se ve que la longitud del enlace = 12 nm, el ancho = 5 nm y la segregación de la red = 31 nm.

El segundo y tercer picos corresponden a una red hexagonal bidimensional. También se observa que los picos de orden superior se superponen con el fondo en los datos, lo que surge debido a la posible heterogeneidad de la muestra. Los tamaños de los elementos constitutivos de la red varían dentro de los límites de 12 × 5 nm necesarios para la investigación. Sin embargo, estas desviaciones no tienen una fuerte influencia, ya que incluso la energía interelemental cambia de manera muy insignificante (en menos de 2 K con cambios dimensionales en 2 nm).

El modelado de los datos de GISAXS confirmó la presencia de un gran dominio (región) de orden estructural de largo alcance en la red de panal (longitud de correlación de paracristal = 250 nm).

Para investigar la correlación entre los momentos magnéticos y los elementos celulares, se llevaron a cabo experimentos con neutrones polarizados, a saber, reflectometría, así como GISAXS. La combinación de estos procedimientos nos permitió estudiar la correlación magnética en la red de panal a una escala de 5 nm a 10 μm.


Imagen No. 2

La Figura 2 muestra los índices de medición de diferentes intensidades de reflexión para neutrones en los estados de rotación hacia arriba y hacia abajo, así como a una temperatura de 300 K y 7 K.
El eje y representa el vector de dispersión fuera del plano (fórmula No. 1). El eje x muestra la diferencia entre los componentes z de los vectores de onda incidente y saliente (fórmula No. 2).


Fórmulas No. 1 y No. 2

Por lo tanto, las direcciones vertical y horizontal corresponden a correlaciones fuera del plano y dentro del plano. La reflexión corresponde a x = 0. Una clara diferencia es visible entre la dispersión a altas y bajas temperaturas.

A una temperatura de T = 300 K, la intensidad de reflexión es más de 2 órdenes de magnitud más fuerte que en el caso de los datos sin espejo, lo cual es muy común para tales sistemas.

También se observa una ligera dispersión en regiones sin espejo, causada por la naturaleza paramagnética del momento y la estructura de panal como tal.

Cuando la temperatura de la muestra se redujo a 7 K, la señal sin espejo aumentó enormemente. Como resultado, el rayo espejo no se pudo distinguir de un fondo no espejo. Si tenemos en cuenta que la estructura nuclear no sufre cambios significativos debido al enfriamiento, entonces este efecto puede explicarse únicamente por cambios en las características magnéticas del sistema.

Una banda ancha a lo largo del eje horizontal en los gráficos de la reflectometría de neutrones a una temperatura de 7K indica el desarrollo de correlaciones magnéticas en el plano de la red celular (Imagen No. 2).

Para un análisis más detallado de la estructura magnética de la muestra, los datos obtenidos experimentalmente se comparan con los obtenidos mediante cálculos basados ​​en una base teórica que permitió predecir el estado de las fases magnéticas, en particular, el estado paramagnético, así como el hielo en rotación (hielo-1), cargado ordenado configuración (hielo-2) y giro sólido. Todo esto se visualiza en la imagen No. 3.


Imagen No. 3

Para simular varios estados magnéticos, se utilizó la aproximación de Born con ondas distorsionadas (DWBA).

Como se puede ver en los gráficos inferiores de la imagen No. 2, la dispersión de la luz no coincide con la magnitud de la correlación giro-giro. La diferencia entre ice-2 y el giro de un sólido es bastante pequeña, aunque los índices corresponden a datos experimentales sobre los giros de un sólido. Como se mencionó anteriormente, el estado de rotación de un sólido se logró alternando las corrientes parásitas de diferentes quiralidades.

Los experimentos mostraron que la energía entre elementos en el enrejado de panal artificial es de aproximadamente 12 K. Este indicador es extremadamente importante para la formación de un estado ordenado con carga magnética, seguido del estado de un sólido, cuando la temperatura cae a 0 K. Como conclusión, el aumento observado en la intensidad corresponde totalmente al predicho Cálculos del comportamiento de la muestra.


Imagen No. 4

A lo largo del eje Q _y , los modelos del rango Q _z = 0.025 ^{-1 -1} ... 0.045 ^{-1 -1 que se} muestran en la imagen No. 3 y los datos calculados que se muestran en la imagen No. 4 se combinaron. A 300 K, se observa un salto visible cerca de Q _y = 0.02 Å ^-1 , que corresponde a la estructura del núcleo, así como a la dispersión completa en el estado de gas o hielo-1. Con una disminución de la temperatura a 7 K en la región de Q _y = 0.012 Å ^-1 , se formó una intensidad adicional que corresponde al estado de hielo-2 y / o al estado de rotación de un sólido.

Sin embargo, para que la muestra demuestre el estado de hielo-2, a Q _y = 0.025 Å ^-1 , se debe observar una intensidad final, que no está en los datos calculados.

Como resultado, el perfil de intensidad parece muy limitado, aunque corresponde a los perfiles predichos por los cálculos para el estado de rotación de un sólido y para un estado mixto (sólido / hielo).


Imagen No. 5

Arriba están los resultados del modelado micromagnético dependiente de la temperatura a temperaturas de 0 K, 100 K, 200 K y 300 K. Cada uno de ellos muestra diferencias cualitativas en las curvas de histéresis magnética.

La conclusión de los investigadores.

Un estudio experimental de la correlación del magnetismo y una disminución de la temperatura de una red de panal artificial mostró la aparición de un estado de rotación de un sólido. Esto es posible cuando la temperatura cae por debajo de la energía entre elementos, es decir, aproximadamente 12 K. Este estado es único para una estructura bidimensional. A diferencia de los sistemas tridimensionales, las fuertes fluctuaciones del orden magnético limitan la posibilidad de un orden magnético en estructuras de baja dimensión. También vale la pena señalar que la teoría de las ondas de rotación es aplicable a sistemas bidimensionales similares solo a bajas temperaturas.

Le recomiendo que lea el informe de los investigadores, disponible aquí.

Epílogo

Este estudio es una herramienta para comprender las propiedades de los imanes de baja dimensión, la relación del estado de rotación y la temperatura, así como las características magnéticas de una red de panal artificial. En gran medida, el trabajo de los investigadores conlleva resultados teóricos, respaldados por datos obtenidos experimentalmente. ¿Resulta que los resultados de estos experimentos no tienen aplicación práctica? Esta afirmación es verdadera y no. Dichos estudios tienen como objetivo comprender las diversas propiedades de diversos materiales. Tras recibir las respuestas a las preguntas planteadas por los investigadores, es posible ampliar el espectro de la base teórica, lo que permitirá en el futuro describir con más detalle no solo las propiedades, sino también las posibles áreas de aplicación de las características recientemente descubiertas de un sistema en particular. Este estudio puede exagerarse para llamarse una caída en la taza de conocimiento, llenando el cual podemos descubrir nuevas tecnologías y mejorar las existentes.

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