From Chemical Complexity to Tunable Magnetic Ordering in Highly Disordered High-Entropy Spinel Oxides

Gedurende het grootste deel van de geschiedenis van de materiaalkunde was orde de gouden regel. Om een nuttig kristal te bouwen, geloofden wetenschappers traditioneel dat ze een net, herhalend patroon nodig hadden waarbij elk atoom op een specifieke, voorspelbare plek zat. Wanneer atomen door elkaar gehusseld of ongeordend raken, is de gebruikelijke verwachting dat de nuttige eigenschappen van het materiaal, zoals het vermogen om elektriciteit te geleiden of een magnetisch veld vast te houden, uit elkaar vallen. Deze wanorde werd gezien als een fout, een defect dat de perfecte structuur ruïneerde. Echter, een nieuwe benadering genaamd high-entropy chemie zet dit idee op zijn kop. In plaats van te proberen wanorde te elimineren, mengen onderzoekers nu doelbewust vijf of meer verschillende soorten atomen in een enkele kristalstructuur. Ze hebben ontdekt dat deze extreme menging een soort thermodynamische stabiliteit creëert, waarbij de chaos zelf het materiaal bij elkaar houdt. Deze verschuiving heeft de deur geopend naar een nieuwe wereld van materialen waar de complexiteit die voorheen een probleem was, nu de sleutel is tot het creëren van nieuwe en verrassende gedragingen.

In een recente studie verkenden een team van onderzoekers dit concept binnen een specifieke familie van kristallen die bekend staan als spinellen. Dit zijn materialen met een kenmerkende driedimensionale structuur die een grote verscheidenheid aan metaalatomen kan huisvesten. De wetenschappers wilden zien of ze de magnetische eigenschappen van deze materialen konden controleren door de atomen doelbewust te door elkaar te husselen. Ze begonnen met een vaste, zeer ongeordende mix van vijf verschillende metalen — nikkel, magnesium, kobalt, koper en zink — die één set posities in het kristal bezetten. Vervolgens varieerden ze systematisch de tweede set posities door andere combinaties van metalen zoals chroom, mangaan, ijzer, gallium, aluminium en titanium in te voegen. Hun doel was om te zien of ze konden voorspellen hoe het materiaal zich magnetisch zou gedragen wanneer de interne wanorde tot haar absolute limiet werd gedreven.

De resultaten waren verrassend eenvoudig en elegant. De onderzoekers ontdekten dat zelfs wanneer het kristal gevuld was met een chaotische mix van veel verschillende magnetische atomen, de temperatuur waarbij het materiaal magnetisch werd een eenvoudige regel volgde. De magnetische overgangstemperatuur van een complexe, multi-metalen mengeling was bijna exact het gemiddelde van de temperaturen van de individuele, enkelvoudige metaalversies van diezelfde materialen. Het maakte er niet uit dat de atomen door elkaar gehusseld waren op een manier die de verwachting zou wekken dat hun magnetische interacties elkaar zouden opheffen of een rommelige, onvoorspelbare staat zouden creëren. In plaats daarvan gedroeg het materiaal zich als een vloeiende, gemiddelde versie van zijn onderdelen. Deze lineaire relatie bleef standhouden, zelfs voor de meest complexe monsters, waarbij de onderzoekers vijf verschillende metalen in de tweede set posities mengden, wat resulteerde in een kristal met in totaal tien verschillende soorten atomen.

Om te bevestigen dat deze magnetische orde echt was en niet slechts een meetfout, gebruikte het team een verscheidenheid aan krachtige instrumenten om in het materiaal te kijken. Ze gebruikten röntgenstraling en neutronen om de atomaire structuur te onderzoeken, waarmee ze bevestigden dat de kristallen inderdaad een enkele fase en chemisch uniform waren, zonder klonten van één specifiek metaal. Ze gebruikten ook een techniek genaamd neutronenpoederdiffractie, die gevoelig is voor magnetische velden, om te observeren hoe de atomen zich uitlijnden naarmate de temperatuur daalde. De gegevens toonden aan dat het materiaal, ondanks de extreme wanorde, een robuuste, lang reikende magnetische orde ontwikkelde. De atomen lijnden zich op een specifieke, gecoördineerde manier uit, wat een sterke ferrimagnetische staat creëerde. Dit betekent dat de magnetische momenten van de verschillende atomen niet tegen elkaar vochten in een verwarde bende, maar zich in plaats daarvan organiseerden in een coherent patroon dat zich over de gehele steekproef uitstrekte.

De studie bestudeerde ook nauwgezet de elektronische toestand van de individuele atomen om te begrijpen hoe zij in het rooster waren gerangschikt. Met behulp van gespecialiseerde spectroscopie bepaalden de onderzoekers precies welke atomen op welke posities in het kristalrooster zaten en wat hun elektrische ladingen waren. Ze ontdekten dat hoewel de atomen willekeurig verdeeld waren, de magnetische interacties tussen hen niet willekeurig waren in hun effect. In plaats daarvan fungeerde het systeem als een statistisch gemiddelde, waarbij de talloze verschillende manieren waarop de atomen met hun buren konden interageren, uitvloeiden in een enkele, voorspelbare magnetische sterkte. Deze bevinding daagt de oude overtuiging uit dat wanorde magnetische orde vernietigt. In plaats daarvan laat het zien dat in deze high-entropy materialen de wanorder zelf het organiserende principe wordt. Het materiaal heeft geen perfect, herhalend patroon nodig om magnetisch te zijn; het heeft alleen een gebalanceerde mix van ingrediënten nodig die, wanneer ze worden gemiddeld, een stabiele en afstembare magnetische staat creëren.

Dit werk biedt een nieuwe manier om over het ontwerpen van materialen na te denken. Het suggereert dat wetenschappers nu de magnetische eigenschappen van een complex mengsel kunnen voorspellen door simpelweg de eigenschappen van de individuele componenten te kennen en hun gemiddelde te berekenen. Dit opent de deur naar het technisch ontwerpen van materialen met specifieke magnetische temperaturen door zorgvuldig de juiste combinatie van elementen te kiezen, zonder zich zorgen te hoeven maken over de complexe, chaotische interacties die gewoonlijk ontstaan bij het mengen ervan. De onderzoekers toonden aan dat zelfs in een kristal waar geen enkel magnetisch atoom domineert en waar geen duidelijk pad bestaat voor magnetische signalen om te reizen, een sterke, collectieve magnetische orde kan ontstaan. Het is een herinnering aan het feit dat in de wereld van complexe materialen soms de meest krachtige orde voortkomt uit de meest doelbewuste chaos.