Estado de rotação “sólido” em uma estrutura de favo de mel artificial

Em certos círculos científicos, uma discussão está em andamento sobre a correlação magnética em baixas temperaturas em uma estrutura de favo de mel magnético artificial bidimensional. Os teóricos argumentam que esse sistema é capaz de demonstrar a formação de um estado sólido com entropia de rotação zero * . No entanto, na prática, essas propriedades ainda não foram descobertas. Este estudo dá um passo confiante para a compreensão dos fenômenos acima. O que exatamente os pesquisadores foram capazes de aprender, entenderemos graças ao seu relatório. Vamos lá

Entropia * - em palavras simples, esse é o estado de um sistema cujos elementos não são ordenados, ou seja, caótico.

Este estudo se concentra no estudo da correlação magnética na rede artificial de favo de mel permalloy * . As dimensões dos elementos eram de cerca de 12 nm (comprimento) a 5 nm (largura) a 10 nm (espessura). Um indicador importante no processo de obtenção dos resultados do estudo foi a dispersão de nêutrons * e a simulação micromagnética dependente da temperatura.

Permalloy * é uma liga de ferro e níquel com propriedades magnéticas suaves. Esses materiais têm as propriedades de um ferro-ímã ferri- ou ferro e sua força coercitiva (força do campo magnético necessária para a desmagnetização completa do material) não é superior a 4 kA / m.

Espalhamento de nêutrons * - são divididos em dois tipos principais: espalhamento elástico e não elástico. O Elastic permite que você estude a estrutura de sólidos, líquidos e gases, pois somente a dispersão é considerada quando os átomos não entram em um estado excitado. No caso da dispersão não elástica de nêutrons, pode-se obter dados sobre ligações na matéria através da ocorrência de processos de excitação em átomos. A dispersão de nêutrons é excelente para a análise de materiais magnéticos, pois os nêutrons têm propriedades magnéticas e atuam como ímãs elementares.

A simulação numérica dos dados de nêutrons polarizados de reflectometria * explica a evolução dependente da temperatura da correlação de spin neste sistema.

Refletometria de nêutrons * - um feixe de nêutrons é incidente em uma amostra plana que espalha partículas. De um certo ângulo, são feitas observações dessas partículas. O espectro angular obtido nos permite determinar as propriedades magnéticas dos elementos da amostra de teste.

À medida que a temperatura diminui para ± 7 K, o sistema procura desenvolver um novo estado sólido de rotação, que se manifesta pela distribuição alternada de correntes magnéticas * de quiralidades opostas * .

Correntes de Foucault * - corrente elétrica que surge nos condutores quando o fluxo do campo magnético que atua sobre eles muda com o tempo.

Quiralidade * - assimetria (falta de simetria) dos lados direito e esquerdo de um objeto.

Os resultados do teste são complementados por simulações micromagnéticas dependentes da temperatura, que confirmam a predominância do estado sólido de rotação sobre o estado ordenado da carga magnética em uma rede celular artificial. Esses dados possibilitam o estudo da correlação de um novo estado sólido de rotação em uma estrutura de favo de mel artificial bidimensional.

Noções básicas e pesquisa de sistemas

Uma estrutura bidimensional em favo de mel é uma base ideal para testar muitas propriedades de materiais magnéticos, bem como sua interação em um único sistema. Os pesquisadores prestaram atenção especial a coisas incomuns, como vários estados da matéria: spin ice * , spin liquids * e spin solid, formados pela distribuição de correntes de Foucault magnéticas de quiralidades opostas.

Spin ice * é uma substância na qual os momentos magnéticos dos átomos são ordenados da mesma maneira que os prótons no gelo comum.

Spin liquid * é um estado de sistemas em que a palavra “líquido” é usada para enfatizar o fato de rotações desordenadas, que difere do estado de rotação ferromagnético, assim como o estado da água (líquido) é diferente do estado do gelo (estrutura cristalina). A principal diferença entre o fluido de rotação é a preservação desse estado mesmo nas temperaturas mais baixas.

Um aspecto importante é o fato de que uma variedade complexa de fases magnéticas de entropia controlada, que se prevê ocorrer em uma estrutura de favo de mel artificial em função da redução da temperatura, não pode ser realizada no material de troca.

Estudos teóricos recentes sugerem que a estrutura do favo de mel exibe as propriedades de um para- ímã * a altas temperaturas, correspondendo a um gás com uma carga magnética de ± 1 e ± 3.

Paramagnet * - uma substância que pode ser magnetizada por um campo magnético externo tem uma suscetibilidade magnética positiva, mas é muito menor que a unidade.

Quando a temperatura diminui, o sistema muda de um estado de rotação do gelo, quando os momentos magnéticos estão localizados no princípio de “2 entradas e 1 saída” ou “1 entrada e 2 saídas”. Ou seja, 2 momentos magnéticos (ou 1 na segunda modalidade) são direcionados dentro da célula da estrutura alveolar, e 1 momento (ou 2 na segunda modalidade) é direcionado para o exterior.

Uma diminuição adicional da temperatura leva à formação de um novo regime de pedidos, caracterizado por uma "ordem de carga" topológica com uma carga magnética de ± 1. ( Imagem nº 3 ).

Nesse caso, espera-se que a quantidade de calor corresponda à força da interação dipolo * (≈D).

Interação dipolar * - a interação de dois dipolos magnéticos (o limite de um circuito fechado de uma corrente elétrica ou de um par de vantagens, uma vez que o tamanho da fonte é reduzido a zero, mantendo um momento magnético constante).

Em temperaturas muito mais baixas, o sistema entra em um estado de ordem de rotação de correntes de Foucault com entropia zero, que pode ser chamada em breve de estado de um sólido de rotação. Esta é uma nova fase magnética com zero entropia e magnetização.


Imagem nº 3 (para facilitar a visualização postada aqui e a seguir)

Um estudo detalhado dos parâmetros da refletometria de nêutrons polarizados e da dispersão de nêutrons de ângulo pequeno * revelou a formação de uma dispersão magnética adicional a partir de correlações no plano com uma diminuição da temperatura para 7 K.

A dispersão de nêutrons de ângulo pequeno * é a dispersão elástica de um feixe de nêutrons por não homogeneidades de uma substância cujas dimensões excedem o comprimento de onda da radiação, que é λ = 0,1-1 nm.

O espalhamento por difusão é perfeitamente determinado por simulação numérica da configuração do estado sólido da rotação, onde os momentos magnéticos, juntamente com os elementos de conexão da estrutura de favo de mel permalloy, exibem uma ordem alternada de correntes parasitas de quiralidades opostas.

A formação do estado de um sólido de spin também foi, independentemente de outros indicadores, confirmada por modelagem micromagnética dependente da temperatura, que mostrou o desenvolvimento da dependência da temperatura da correlação de spin em uma treliça de favo de mel com as mesmas dimensões de seus elementos.

No momento, a base das tentativas para atingir o estado de rotação de um sólido é o método da litografia por feixe de elétrons para a fabricação de amostras. Este método resulta em amostras de tamanhos pequenos, mas com grandes parâmetros elementares. Como regra, uma rede de favo de mel desse tipo indica um alto nível de energia das ligações interelementares ≈104 K.

No entanto, recentemente foi proposto um novo tipo de treliça em favo de mel, que consiste em elementos permalloy muito finos (alguns angstroms * ) e bem separados (comprimento ≈500 nm, largura 20-50 nm). Nesse caso, a energia interelementar é bastante reduzida.

Angstrom * - 1 Å = 0,1 nm.

Para os testes, foi escolhida uma treliça de favo de mel com elementos constituintes muito pequenos, uma vez que seu pequeno tamanho reduz bastante a energia eletrostática de cerca de 12 a 15 K. Portanto, essa opção é melhor para o estudo da dependência da temperatura das fases magnéticas.

Os resultados dos experimentos e suas análises

Para criar uma estrutura de favo de mel, foi necessário sintetizar um padrão hexagonal de dibloco de copolímero (consistindo de dois blocos emparelhados) e conectar o permalloy à superfície do substrato de silício em ultra alto vácuo * .

Vácuo ultra-alto * - um meio de gás com uma densidade de gás muito baixa quando a pressão é de 10 a ⁹ mm Hg e abaixo.

Padrões semelhantes de copolímeros diblocos também foram usados ​​para criar materiais nanoestruturados.

Sob condições físicas adequadas, o copolímero dibloco é propenso à auto-organização, enquanto uma amostra de componente único criará grandes estruturas periódicas.

A simplicidade de ajustar as propriedades estruturais e os parâmetros da rede alterando a composição e / ou o peso molecular do copolímero dibloco possibilita a criação de muitos nanomateriais. Um exemplo impressionante é a criação de nano-pontos, nano-anéis e nós de nanopartículas.

Recentemente, padrões de dibloco em conjunto com GLAD (deposição de ângulo de visão) permitiram a criação de estruturas hierárquicas direcionais de nanopartículas de metal.


Imagem No. 1a

A imagem acima ( 1a ) mostra uma fotografia de uma amostra de rede celular tirada por um microscópio de força atômica * .

Microscópio de força atômica * - permite determinar a topografia da superfície com uma resolução até atômica.

As medidas obtidas por espalhamento de raios X de ângulo pequeno na incidência de deslizamento (GISAS) mostraram uma alta qualidade das estruturas da amostra. O GISAS oferece uma oportunidade de considerar com mais detalhes os recursos estruturais do sistema. Para tais medições, foi utilizada uma fonte Ga K _α * com um comprimento de onda de 1,34 Å e um ângulo de incidência de 0,15 °.

Notação zigban * - na espectroscopia de raios-X é usada para nomear as linhas espectrais (um recurso da seção de espectro, que se manifesta em uma diminuição ou aumento local no nível do sinal).

Para atenuar o feixe refletido, foi utilizada uma película de aço inoxidável com 1 mm de espessura.


Imagem # 1b

Na imagem acima ( 1b ), é visto que o comprimento da ligação = 12 nm, largura = 5 nm e segregação da malha = 31 nm.

O segundo e o terceiro picos correspondem a uma estrutura hexagonal bidimensional. Note-se também que os picos de ordem superior se sobrepõem ao fundo dos dados, o que ocorre devido a uma possível heterogeneidade da amostra. Os tamanhos dos elementos constituintes da rede variam dentro dos limites de 12 × 5 nm necessários para a pesquisa. No entanto, esses desvios não exercem forte influência, já que até a energia interelementar muda de maneira insignificante (em menos de 2 K com alterações dimensionais em 2 nm).

A modelagem dos dados GISAXS confirmou a presença de um grande domínio (região) de ordem estrutural de longo alcance na estrutura do favo de mel (comprimento da correlação paracristal = 250 nm).

Para investigar a correlação entre os momentos magnéticos e os elementos celulares, foram realizados experimentos com nêutrons polarizados, refletometria e GISAXS. A combinação desses procedimentos nos permitiu estudar a correlação magnética na estrutura do favo de mel em uma escala de 5 nm a 10 μm.


Imagem No. 2

A Figura 2 mostra os índices de medição de diferentes intensidades de reflexão para nêutrons nos estados de rotação para cima e rotação para baixo, bem como a uma temperatura de 300 K e 7 K.
O eixo y representa o vetor de dispersão fora do plano (fórmula nº 1). A diferença entre os componentes z do vetor de onda incidente e de saída (fórmula nº 2) é exibida pelo eixo x.


Fórmulas nº 1 e nº 2

Assim, as direções vertical e horizontal correspondem a correlações fora do plano e dentro do plano. A reflexão corresponde a x = 0. Uma diferença clara é visível entre a dispersão em altas e baixas temperaturas.

A uma temperatura de T = 300 K, a intensidade de reflexão é mais de 2 ordens de magnitude mais forte do que no caso de dados não espelhos, o que é muito comum para esses sistemas.

Também se observa leve espalhamento em regiões não espelhadas, causadas pela natureza paramagnética do momento e pela estrutura alveolar como tal.

Quando a temperatura da amostra foi reduzida para 7 K, o sinal sem espelho aumentou bastante. Como resultado, o feixe de espelho não pôde ser diferenciado de um fundo que não é espelho. Se levarmos em conta que a estrutura nuclear não sofre alterações significativas devido ao resfriamento, esse efeito pode ser explicado apenas por alterações nas características magnéticas do sistema.

Uma banda larga ao longo do eixo horizontal nos gráficos da refletometria de nêutrons a uma temperatura de 7K indica o desenvolvimento de correlações magnéticas no plano da rede celular (Imagem No. 2).

Para uma análise mais aprofundada da estrutura magnética da amostra, os dados obtidos experimentalmente são comparados com os obtidos por cálculos baseados em uma base teórica que possibilitou prever o estado das fases magnéticas, em particular o estado paramagnético, bem como o gelo de rotação (gelo-1), carregado ordenadamente configuração (ice-2) e gire sólido. Tudo isso é visualizado na imagem nº 3.


Imagem No. 3

Para simular vários estados magnéticos, foi utilizada a aproximação de Born com ondas distorcidas (DWBA).

Como pode ser visto nos gráficos inferiores da imagem nº 2, a dispersão da luz não coincide com a magnitude da correlação spin-spin. A diferença entre o gelo 2 e a rotação de um sólido é bastante pequena, embora os índices correspondam a dados experimentais sobre as rotações de um sólido. Como mencionado anteriormente, o estado de rotação de um sólido foi alcançado alternando correntes de Foucault de diferentes quiralidades.

Os experimentos mostraram que a energia interelementos na estrutura do favo de mel artificial é de aproximadamente 12 K. Esse indicador é extremamente importante para a formação de um estado ordenado com carga magnética, seguido pelo estado de um sólido, quando a temperatura cai para 0 K. Como conclusão, o aumento observado na intensidade corresponde totalmente ao previsto cálculos do comportamento da amostra.


Imagem No. 4

Ao longo do eixo Q _y , foram combinados modelos da faixa Q _z = 0,025 ^{-1 -1} ... 0,045 ^{-1 -1} mostrados na imagem nº 3 e os dados calculados mostrados na imagem nº 4 foram combinados. A 300 K, observa-se um salto visível próximo de Q _y = 0,02 Å ^-1 , que corresponde à estrutura do núcleo, bem como dispersão completa no estado de gás ou gelo-1. Com uma diminuição da temperatura para 7 K na região de Q _y = 0,012 Å ^-1 , formou-se uma intensidade adicional que corresponde ao estado de gelo 2 e / ou ao estado de rotação de um sólido.

No entanto, para que a amostra demonstre o estado do gelo-2, em Q _y = 0,025 Å ^-1 , uma intensidade final deve ser observada, que não está nos dados calculados.

Como resultado, o perfil de intensidade parece muito limitado, embora corresponda aos perfis previstos pelos cálculos para o estado de rotação de um sólido e para um estado misto (sólido / gelo).


Imagem No. 5

Acima estão os resultados da modelagem micromagnética dependente da temperatura a temperaturas de 0 K, 100 K, 200 K e 300 K. Cada uma delas mostra diferenças qualitativas nas curvas de histerese magnética.

A conclusão dos pesquisadores

Um estudo experimental da correlação do magnetismo e uma diminuição na temperatura de uma rede artificial de favo de mel mostrou a aparência de um estado de rotação de um sólido. Isso se torna possível quando a temperatura cai abaixo da energia entre elementos, ou seja, aproximadamente 12 K. Esse estado é único para uma estrutura bidimensional. Ao contrário dos sistemas tridimensionais, fortes flutuações da ordem magnética limitam a possibilidade de ordenação magnética em estruturas de baixa dimensão. Também vale a pena notar que a teoria das ondas de rotação é aplicável a sistemas bidimensionais similares apenas a baixas temperaturas.

Eu recomendo fortemente que você leia o relatório dos pesquisadores, disponível aqui.

Epílogo

Este estudo é uma ferramenta para entender as propriedades dos ímãs de baixa dimensão, a relação entre o estado de rotação e a temperatura, bem como as características magnéticas de uma treliça de favo de mel artificial. Em grande parte, o trabalho dos pesquisadores traz resultados teóricos, apoiados em dados obtidos experimentalmente. Acontece que os resultados desses experimentos não têm aplicação prática? Esta afirmação é verdadeira e não. Tais estudos visam entender as várias propriedades de vários materiais. Tendo recebido as respostas para as perguntas colocadas pelos pesquisadores, é possível expandir o espectro da base teórica, o que permitirá descrever mais detalhadamente não apenas as propriedades, mas também as possíveis áreas de aplicação das características recém-descobertas de um sistema em particular. Este estudo pode ser exagerado para ser chamado de gota no conhecimento, preenchendo o que podemos descobrir novas tecnologias e melhorar as já existentes.

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