A high-entropy form of $R$Mn$_6$Sn$_6$ with distinct magnetotransport regimes correlated to different magnetic structures

Il magnetismo è spesso considerato una forza semplice, l'invisibile attrazione che fa puntare un ago di bussola verso il nord o un magnete da frigorifero aderire a una porta. Eppure, nel mondo microscopico di certi cristalli, il magnetismo è un paesaggio complesso dove la direzione degli spin atomici può cambiare, torcersi e riorganizzarsi al variare della temperatura. Gli scienziati sono da tempo affascinati da una specifica famiglia di materiali noti come magneti kagome, chiamati così per il motivo intrecciato del loro reticolo atomico, che ricorda un tradizionale cesto giapponese. Questi materiali sono speciali perché i loro elettroni possono muoversi in modi che creano proprietà elettriche insolite, e il loro comportamento magnetico è dettato dagli elementi delle terre rare in essi incorporati. Mescolando diversi elementi delle terre rare, i ricercatori sperano di creare nuovi stati della materia che non esistono nelle forme pure, portando potenzialmente a tecnologie avanzate per l'archiviazione dei dati o l'efficienza energetica. La domanda che guida il lavoro recente è se la miscelazione di questi elementi crei un caos disordinato o un nuovo ordine prevedibile con capacità uniche.

Un team di ricercatori ha ora esplorato questa questione creando un nuovo cristallo ad alta entropia composto da una miscela precisa di sei diversi elementi delle terre rare: terbio, disprosio, olocmio, erbio, tulio e lutezio. Hanno combinato questi con manganese e stagno per far crescere un singolo cristallo, un processo che ha richiesto l'sigillatura degli ingredienti in un tubo di tantalio e il riscaldamento a oltre 1200 gradi Celsius prima di raffreddarli lentamente per formare grandi cristalli esagonali di dimensioni millimetriche. Questo nuovo materiale, che il team chiama HE166, si comporta come un camaleonte, cambiando la sua personalità magnetica tre volte mentre si raffredda da uno stato caldo fino a vicino allo zero assoluto. Ad alte temperature, sopra i 380 Kelvin, il materiale agisce come un paramagnete, dove gli spin atomici sono disordinati. Man mano che si raffredda sotto questo punto, si assesta in uno stato ferromagnetico dove gli spin si allineano principalmente in un piano piatto. Tuttavia, invece di rimanere in questo modo, il materiale subisce una transizione ampia e insolita tra 270 e 170 Kelvin, dove si sposta lentamente da un allineamento piatto a uno verticale. Infine, sotto i 79 Kelvin, si assesta in uno stato fondamentale inclinato, o cantato. Questo viaggio attraverso diverse fasi magnetiche è distinto da quello osservato nei cristalli composti da un solo elemento delle terre rare, suggerendo che la miscela stessa crei un nuovo tipo di complessità magnetica.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente significativa è il modo in cui il materiale conduce l'elettricità mentre la sua struttura magnetica cambia. Nella maggior parte dei materiali magnetici, la resistenza al flusso elettrico cambia in modo prevedibile e costante all'applicazione di un campo magnetico. In questo nuovo cristallo, tuttavia, la resistenza si comporta in modo non monotono, il che significa che non va semplicemente su o giù in linea retta. Invece, la resistenza cambia direzione, salendo e poi scendendo, o scendendo e poi salendo, a seconda della temperatura e della direzione del campo magnetico applicato. I ricercatori hanno scoperto che questi strani cambiamenti elettrici avvengono esattamente negli stessi momenti in cui la struttura magnetica interna sta cambiando. Bombardando il cristallo con neutroni, una tecnica che permette agli scienziati di vedere la disposizione degli atomi e dei loro spin, hanno scoperto che queste stranezze elettriche sono causate da un tipo specifico di disordine magnetico. Nella zona di transizione tra gli stati magnetici piatti e verticali, gli spin formano un modello ondulato e modulato che non si allinea perfettamente con la griglia del cristallo. Questo schema incommensurato, in cui le onde magnetiche non corrispondono alla spaziatura degli atomi, crea una resistenza extra per il movimento degli elettroni. Quando viene applicato un campo magnetico, questo leviga queste onde, causando una brusca caduta della resistenza.

Lo studio ha anche rivelato che il comportamento di questo cristallo misto non è solo una semplice media delle sue parti. Mentre studi precedenti su materiali simili ad alta entropia hanno mostrato transizioni magnetiche, non avevano osservato questa specifica zona di transizione ampia o la corrispondente resistenza elettrica non monotona. I ricercatori sostengono che la presenza di elementi delle terre rare che naturalmente preferiscono diverse disposizioni magnetiche nelle loro forme pure sia ciò che guida questo comportamento unico. La competizione tra questi diversi elementi impedisce al cristallo di assestarsi in un singolo ordine magnetico semplice, costringendolo in uno stato in cui gli spin sono costantemente in lotta e si riorientano. Questa competizione crea un ambiente ricco in cui la capacità del materiale di condurre elettricità è strettamente legata ai sottili spostamenti della sua texture magnetica. Le scoperte suggeriscono che, selezionando attentamente quali elementi delle terre rare mescolare, gli scienziati possano progettare materiali con risposte magnetiche ed elettriche specifiche che non sono possibili con cristalli a singolo elemento.

In definitiva, questo lavoro dimostra che le leghe ad alta entropia offrono un nuovo modo potente per modulare le proprietà dei materiali magnetici. I ricercatori hanno mostato che l'interazione tra diversi ioni delle terre rare può generare strutture di spin complesse che influenzano direttamente il modo in cui l'elettricità scorre attraverso il materiale. L'osservazione di una vasta regione di transizione e di una magnetoresistenza non monotona fornisce una chiara firma di queste interazioni competitive. Sebbene lo studio non proponga immediatamente un'applicazione commerciale, esso stabilisce una comprensione fondamentale di come la miscelazione di elementi magnetici possa creare nuovi stati fisici. La capacità di controllare questi stati attraverso la temperatura e i campi magnetici apre la porta alla progettazione di materiali in cui la resistenza elettrica può essere commutata o modulata in modi nuovi, guidata dall'architettura magnetica sottostante. Il cristallo serve come prova di concetto che il futuro dei materiali magnetici potrebbe non risiedere nel trovare un singolo elemento perfetto, ma nella deliberata e complessa miscelazione di molti.