Crystal symmetry predicts unconventional magnetism

Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat magneten in twee bekende smaken voorkomen: die welke aan een kompasnaald trekken, zoals een koelkastmagneet, en die dat niet doen, zoals het ijzer in een typische rots. In de niet-trekkende variant wijzen de kleine magnetische pijlen binnen het materiaal in tegenovergestelde richtingen, waardoor ze elkaar opheffen zodat het object als geheel geen netto magnetisme heeft. Een lang tijd was de aanname dat als een materiaal geen netto magnetisme had, de elektronen ook perfect in evenwicht zouden zijn, zonder voorkeur voor het ene of het andere draairichting. Dit evenwicht betekende dat elektronen die door het materiaal bewogen precies hetzelfde gedroegen, ongeacht hun richting, wat deze materialen elektrisch "saai" maakte voor bepaalde soorten geavanceerde elektronica.

Echter, een nieuwe klasse materialen heeft deze aanname recentelijk aan diggelen geslagen. Dit zijn zogenaamde onconventionele gecompenseerde magneten. Zelfs wanneer hun interne magnetische pijlen perfect tegen elkaar wegvallen, waardoor het materiaal een netto magnetisme van nul heeft, zijn de elektronen binnenin niet in evenwicht. In plaats daarvan hangt de spin van de elektronen af van de richting waarin ze door het kristal bewegen. Een elektron dat naar het noorden beweegt, kan op de ene manier spinnen, terwijl een elektron dat naar het zuiden beweegt, de tegenovergestelde manier spint. Deze verborgen, bewegingsafhankelijke spin creëert krachtige mogelijkheden voor nieuwe technologieën, zoals snellere gegevensopslag en efficiënter energietransport, zonder de magnetische interferentie die traditionele magneten teistert. Het probleem was dat het vinden van deze materialen ongelooflijk moeilijk was. Om te weten of een materiaal deze speciale eigenschap bezit, moeten onderzoekers meestal de exacte rangschikking van elke magnetische pijl binnen het materiaal kennen. Maar het in kaart brengen van deze interne rangschikkingen is een traag, duur proces dat gespecialiseerde apparatuur en perfecte monsters vereist, wat betekent dat de meeste bekende materialen nooit op dit verborgen potentieel zijn gecontroleerd.

Een team onderzoekers uit China heeft nu een manier gevonden om deze flessenhals te omzeilen. In plaats van te wachten op het in kaart brengen van de magnetische pijlen, realiseerden zij zich dat de vorm van het kristal zelf — de manier waarop de atomen in de ruimte zijn gestapeld — al het antwoord bevat. Net zoals de vorm van een sleutel bepaalt welk slot hij kan openen, dicteert de symmetrie van een kristalstructuur welke soorten magnetisch gedrag mogelijk zijn. De onderzoekers ontwikkelden een methode om naar de kristalstructuur te kijken en te voorspellen of een materiaal wel een onconventionele magneet moet zijn, ongeacht de specifieke magnetische orde die het uiteindelijk aanneemt. Ze hoefden de uiteindelijke magnetische staat niet te kennen; ze hoefden alleen te weten welke atomen magnetisch waren en hoe zij in het kristalrooster waren gerangschikt. Door gebruik te maken van een wiskundig kader genaamd spin-ruimtegroepen, genereerden ze elke mogelijke magnetische rangschikking die in een gegeven kristalstructuur zou passen. Als al die mogelijke arrangementen onconventionele magneten bleken te zijn, dan was het materiaal zelf gegarandeerd een zodanige magneet.

Het team testte dit idee tegen een database van materialen met bekende magnetische structuren. Ze verwijderden de bekende magnetische informatie en probeerden het magnetische karakter te voorspellen met enkel de kristalvorm. De resultaten waren opmerkelijk. Wanneer ze naar materialen keken die hun methode als veelbelovend bestempelde, bleken 68 procent van deze onconventionele magneten te zijn. In contrast hiermee vertoonden slechts 9 procent van de materialen die hun methode niet als veelbelovend markeerde deze eigenschap. Dit bewees dat de kristalsymmetrie een krachtige voorspeller is, in staat om deze speciale materialen te identificeren lang voordat hun magnetische grondtoestand ooit gemeten wordt.

Moedigd door dit succes, pasten de onderzoekers hun methode toe op een enorme database genaamd de Materials Project, die de kristalstructuren van tienduizenden verbindingen bevat. Ze filterden bijna 24.000 materialen die aan hun specifieke criteria voldeden. De zoektocht leverde duizenden nieuwe kandidaten op. Onder hen identificeerden ze 1.769 materialen waarbij elke mogelijke magnetische rangschikking onconventioneel was. Ze vonden een nog grotere groep van 6.248 materialen die onconventioneel waren, mits de magnetische rangschikking de grootte van de kristaleenheid niet uitbreidde. Om te garanderen dat deze voorspellingen geen louter wiskundige curiositeiten waren, voerde het team gedetailleerde computersimulaties uit op twee specifieke materialen: VGe3 en tetragonaal Fe2SiO4.

In het geval van VGe3 bevestigden de simulaties dat het materiaal inderdaad een onconventionele magneet is. De onderzoekers ontdekten dat de elektronen in dit materiaal een uniek "mixed-wave" gedrag vertonen. Zonder de noodzaak van zware elementen die de magnetische eigenschappen meestal compliceren, kunnen de elektronen op een manier spinnen die twee verschillende soorten momentumafhankelijkheid combineert. Een deel van het spinpatroon verandert van teken wanneer het elektron de richting omkeert, terwijl een ander deel hetzelfde blijft. Deze coëxistentie stelt het materiaal in staat om een vaste spinrichting langs een specifieke as te behouden en tegelijkertijd complex, momentumafhankelijk gedrag te vertonen. Deze ontdekking is significant omdat het aantoont dat deze exotische magnetische toestanden kunnen voortkomen uit eenvoudige, niet-collineaire rangschikkingen van magnetische atomen, in plaats van te vereisen dat er complexe chemie met zware elementen aan te pas komt.

Voor het tweede materiaal, Fe2SiO4, onthulden de simulaties een landschap van concurrerende magnetische toestanden. De onderzoekers vonden vijftien verschillende mogelijke magnetische arrangementen die het kristal zou kunnen aannemen. Hoewel de energieverschillen tussen deze toestanden klein waren, was de meest stabiele staat nog steeds een onconventionele magneet. Dit bevestigde dat zelfs wanneer er meerdere magnetische mogelijkheden bestaan, de kristalsymmetrie het materiaal kan dwingen om in de onconventionele categorie te blijven. De studie laat zien dat de weg naar het ontdekken van nieuwe magnetische materialen niet vereist dat men eerst het complexe puzzelstukje van de magnetische grondtoestand oplost. In plaats daarvan kunnen wetenschappers nu naar de kristalstructuur kijken en onmiddellijk weten of het materiaal het potentieel bezit voor deze geavanceerde elektronische eigenschappen.

Deze benadering transformeert de zoektocht naar nieuwe magneten van een spel van kans naar een geleide verkenning. Door te vertrouwen op de onveranderlijke regels van kristalsymmetrie, kunnen onderzoekers prioriteit geven aan welke materialen de moeite waard zijn voor gedetailleerd experimenteel onderzoek. Het werk suggereert dat de voorraad onconventionele magneten veel groter is dan voorheen gedacht, verborgen binnen de duizenden kristalstructuren die al bekend zijn in de wetenschap. De onderzoekers hebben hun lijst met kandidaten beschikbaar gesteld aan de wetenschappelijke gemeenschap, wat een routekaart biedt voor experimentalisten om deze voorspellingen te verifiëren en voor ingenieurs om de volgende generatie spin-gebaseerde technologieën te ontwerpen. De bevindingen bevestigen dat de blauwdruk voor de magnetische ziel van een materiaal vaak geschreven staat in de rangschikking van de atomen, wachtend om gelezen te worden door degenen die weten waar ze moeten kijken.