Field-driven phase transition crossover in kagome antiferromagnet Mn$_{3-x}$Co$_x$Sn

Il magnetismo è spesso considerato come un semplice interruttore tra acceso e spento, ma in certi materiali la storia è molto più intricata. Nel profondo della struttura atomica di alcuni solidi, minuscole frecce magnetiche chiamate spin si dispongono in schemi complessi, e questi schemi possono cambiare drasticamente quando la temperatura varia o quando viene applicato un campo magnetico esterno. Quando questi cambiamenti avvengono, il materiale assorbe o rilascia calore, un fenomeno noto come effetto magnetocalorico. Questo effetto è il motore dietro la refrigerazione magnetica, una tecnologia che promette di raffreddare le cose senza i gas nocivi utilizzati nei frigoriferi tradizionali. Tuttavia, per sfruttare questo potere, gli scienziati devono capire esattamente come avvengano questi spostamenti magnetici. Sono cambiamenti fluidi e graduali, o salti improvvisi e netti? La differenza conta immensamente per progettare dispositivi di raffreddamento efficienti, ed è qui che il comportamento di una specifica famiglia di materiali chiamati antiferromagneti di kagome diventa un puzzle affascinante.

In uno studio recente, i ricercatori dell'Istituto Indiano di Tecnologia di Kanpur hanno rivolto l'attenzione a un cristallo chiamato Mn3Sn. Questo materiale è famoso per la sua architettura interna unica, dove gli atomi di manganese siedono agli angoli di triangoli che formano un modello simile a un nido d'ape noto come reticolo di kagome. A temperatura ambiente, gli spin magnetici in questo cristallo sono disposti in una struttura triangolare non collineare, il che significa che puntano in direzioni diverse all'interno dello stesso piano piuttosto che allinearsi ordinatamente. Mentre il cristallo si raffredda, subisce una trasformazione in cui questi spin si riorganizzano in un modello a spirale. Questa transizione avviene a una temperatura specifica, intorno a 278 Kelvin, ed è un evento netto e improvviso. I ricercatori volevano sapere se potessero domare questa nitidezza e forse persino cambiare la natura della transizione alterando leggermente la ricetta del cristallo.

Per testare questo, il team ha fatto crescere cristalli singoli di alta qualità di Mn3Sn e poi ne ha creato una nuova versione sostituendo una piccola parte degli atomi di manganese con il cobalto. Hanno mantenuto la concentrazione di cobalto bassa, solo l'8 percento, per garantire che la struttura fondamentale di kagome rimanesse intatta pur introducendo cambiamenti sottili. I risultati sono stati sorprendenti. Nel cristallo puro, la transizione magnetica a 278 Kelvin era un salto netto e improvviso, caratteristico di una transizione di fase del primo ordine. Questo tipo di cambiamento brusco è spesso accompagnato da un'isteresi termica, il che significa che il materiale si comporta in modo leggermente diverso quando si scalda rispetto a quando si raffredda, proprio come una porta che potrebbe incastrarsi quando la spingi per aprirla ma scivola fluidamente quando la tiri. Il cristallo puro mostrava anche un tipo specifico di risposta magnetica in cui l'entropia, o il disordine, diminuiva in un modo che è considerato "inverso" rispetto a quanto tipicamente atteso nei materiali magnetici standard per il raffreddamento.

Quando il cobalto è stato aggiunto, la storia è cambiata completamente. La temperatura di transizione netta è scesa significativamente a 175 Kelvin, e un nuovo, più debole comportamento magnetico è apparso intorno ai 210 Kelvin. Gli atomi di cobalto, essendo leggermente più piccoli del manganese che hanno sostituito, hanno stretto il reticolo cristallino, causandone la contrazione. Questo irrigidimento fisico ha alterato il modo in cui gli atomi interagiscono tra loro, rompendo efficacementamente la perfetta simmetria del modello di kagome. Questa rottura della simmetria ha indotto un nuovo stato magnetico in cui gli spin si inclinano leggermente fuori dal piano piatto, creando un debole carattere ferromagnetico. Inveve del salto netto e improvviso visto nel cristallo puro, la versione drogata con cobalto ha mostrato una transizione molto più ampia e fluida. Tuttavia, i ricercatori hanno osservato che l'isteresi termica, che era un segno chiaro di un salto improvviso nel campione puro, persisteva nel campione drogato a campi bassi, indicando che la firma della transizione del primo ordine rimaneva attraverso un ampio intervallo di temperature prima di evolversi sotto campi più elevati.

La scoperta più significativa, tuttavia, è stata come il materiale risponde a un campo magnetico esterno. Nel cristallo puro, l'applicazione di un campo magnetico non cambiava la natura fondamentale della transizione; rimaneva un evento netto del primo ordine indipendentemente dall'intensità del campo. Ma nel cristallo drogato con cobalto, il campo magnetico ha agito come un interruttore. A basse intensità di campo, la transizione si comportava ancora come un salto netto. Eppure, man mano che i ricercatori aumentavano il campo magnetico, la transizione iniziava a smussarsi. Sopra una certa soglia, il salto netto non scompariva del tutto, ma piuttosto lasciava il posto a un crossover dove il materiale esibiva una miscela di comportamenti, evolvendo infine in una transizione continua del secondo ordine. Ciò significa che il materiale può essere sintonizzato da un tipo di comportamento magnetico all'altro semplicemente regolando l'intensità del campo magnetico applicato.

Per confermare questo crossover, il team ha analizzato come l'entropia magnetica cambiasse attraverso diverse temperature e intensità di campo. Hanno scoperto che nel cristallo puro, i punti dati si disperdevano ampiamente quando scalati, una firma di una transizione netta del primo ordine. Al contrario, il cristallo drogato con cobalto mostrava un sorprendente collasso dei punti dati su un'unica curva universale quando il campo magnetico era sufficientemente forte. Questo collasso è il segno distintivo di una transizione fluida del secondo ordine, sebbene a campi più bassi, i dati indicassero una coesistenza di caratteristiche sia del primo che del secondo ordine. I ricercatori hanno mappato questi risultati in un nuovo diagramma di fase, che mostra chiaramente i confini dove il materiale passa da una transizione netta del primo ordine a una fluida del secondo ordine. Questo crossover guidato dal campo suggerisce che, scegliendo attentamente la quantità di cobalto e l'intensità del campo magnetico, gli scienziati possono controllare l'ordine della transizione di fase.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice comprensione di un singolo cristallo. Dimostra che l'ordine di una transizione di fase magnetica non è una proprietà fissa di un materiale, ma può essere manipolato attraverso il drogaggio chimico e i campi esterni. Per il campo della refrigerazione magnetica, questa è un'intuizione cruciale. I materiali che subiscono transizioni del secondo ordine fluide sono spesso preferiti per le applicazioni di raffreddamento perché possono operare su un intervallo di temperatura più ampio senza le perdite di energia associate ai salti netti. Lo studio mostra che introducendo una piccola quantità di cobalto in Mn3Sn, il materiale può essere ingegnerizzato per esibire queste transizioni fluide desiderabili nelle giuste condizioni. I ricercatori sono riusciti a far crescere questi cristalli, a misurarne le proprietà con grande precisione e a costruire una mappa dettagliata del loro comportamento, fornendo una via chiara per la futura esplorazione nei materiali magnetici.