Assessment of critical behavior in lacunar oxides of type perovskite

Materiaalwetenschappers kijken vaak naar een familie van kristallen die bekend staan als manganieten, dit zijn verbindingen die mangaan, zuurstof en andere elementen zoals lanthanum of natrium bevatten. Deze materialen zijn fascinerend omdat ze kunnen schakelen tussen een elektrische isolator en een geleider, en ze kunnen hun magnetische staat veranderen van niet-magnetisch naar magnetisch, afhankelijk van de temperatuur. Deze gevoeligheid maakt hen uitstekende kandidaten voor een technologie genaamd magnetische koeling, een koelmethode die magnetische velden gebruikt in plaats van schadelijke gassen. Om te begrijpen hoe deze materialen werken, bestuderen onderzoekers het exacte moment waarop ze van staat veranderen, een faseovergang genoemd. Op deze specifieke temperatuur verandert de interne orde van het materiaal, en de manier waarop de atomen met elkaar interageren, verschuift drastisch. Door te meten hoe het materiaal reageert op magnetische velden rondom dit overgangspunt, kunnen wetenschappers de fundamentele regels ontdekken die het gedrag ervan beheersen.

Een team onderzoekers van de Universiteit van Sfax in Tunesië en het Institut Néel in Frankrijk heeft onlangs twee specifieke versies van een manganietkristal onderzocht om te zien hoe het creëren van minuscule lege ruimtes, of vacatures, binnen de structuur de invloed heeft op deze magnetische regels. Ze synthetiseerden twee monsters van een verbinding bestaande uit lanthanum, natrium, mangaan en zuurstof. In het eerste monster waren de atomen gerangschikt in hun standaard, volledige configuratie. In het tweede monster hadden ze doelbewust een kleine hoeveelheid atomen verwijderd van specifieke locaties binnen het kristalrooster, waardoor vacatures ontstonden. De onderzoekers wilden weten of deze ontbrekende atomen het materiaal simpelweg zouden verzwakken of dat ze de manier waarop de atomen met elkaar interageren tijdens de magnetische overgang fundamenteel zouden veranderen.

Met behulp van een techniek genaamd röntgendiffractie bevestigde het team dat beide monsters een schoon, rhomboëdrisch kristalstructuur vormden, een specifieke driedimensionale vorm waarbij de atomen in een herhalend patroon zijn gerangschikt. Ze ontdekten dat naarmate ze meer vacatures introduceerden, de algehele grootte van de eenheidscel van het kristal lichtelijk expandeerde. Deze expansie gebeurde omdat het verwijderen van atomen de balans tussen verschillende soorten mangaanionen in het materiaal veranderde, waardoor de bindingen tussen mangaan- en zuurstofatomen uitrekten en de hoeken tussen hen verschoven. Deze subtiele structurele veranderingen vormden het toneel voor een aanzienlijk verschil in magnetisch gedrag.

Om de magnetische overgang te begrijpen, koelden de onderzoekers de monsters en verwarmden ze terwijl ze magnetische velden van variërende sterktes aanlegden. Ze maten hoe de magnetisatie van het materiaal veranderde bij verschillende temperaturen, waarbij ze zich concentreerden op het kritieke punt waar het materiaal overschakelt van een ongeordende, niet-magnetische staat naar een geordende, magnetische staat. Door deze metingen te analyseren met behulp van verschillende gevestigde wiskundige benaderingen, bepaalden ze de "kritieke exponenten" voor elk monster. Deze exponenten zijn getallen die beschrijven hoe snel de magnetische eigenschappen van het materiaal veranderen naarmate het de overgangstemperatuur nadert. Ze fungeren als een vingerafdruk en onthullen of de magnetische interacties kort bereik hebben, waarbij ze alleen de directe buren beïnvloeden, of lang bereik hebben, waarbij ze atomen over de gehele breedte van het materiaal beïnvloeden.

De resultaten toonden een duidelijke divergentie tussen de twee monsters. Het monster zonder vacatures gedroeg zich volgens een model dat bekend staat als het driedimensionale Ising-model. Dit model beschrijft een systeem waarin magnetische interacties relatief kort bereik hebben, wat betekent dat de magnetische oriëntatie van een atoom primair wordt beïnvloed door zijn dichtstbijzijnde buren. Het monster met vacatures gedroeg zich echter anders. De kritieke exponenten van dit monster kwamen overeen met een model genaamd de tricritische gemiddelde veldentheorie (tricritical mean field theory), die een systeem beschrijft dat wordt gedomineerd door interacties met een lang bereik, waarbij atomen elkaar over veel grotere afstanden beïnvloeden. De introductie van vacatures veranderde effectief de "universaliteitsklasse" van het materiaal, waardoor het verschoof van het ene type magnetisch gedrag naar het andere.

De onderzoekers verifieerden deze bevindingen door te controleren of de gegevens een universele schaalwet volgden, een principe dat stelt dat nabij het overgangspunt het gedrag van het materiaal er hetzelfde uit zou moeten zien, ongeacht de specifieke temperatuur of veldsterkte, mits de gegevens door de juiste wiskundige lens worden bekeken. De gegevens van beide monsters vloeiden samen in gladde, voorspelbare curven, wat bevestigde dat de berekende kritieke exponenten accuraat waren. Bovendien koppelden ze deze magnetische bevindingen aan het magnetocalorisch effect, wat het vermogen is van een materiaal om op te warmen of af te koelen wanneer het wordt blootgesteld aan een veranderend magnetisch veld. Ze ontdekten dat de sterkte van dit koeleffect een specifieke machtswet volgde die gerelateerd is aan de gemeten kritieke exponenten, wat bewees dat de fundamentele aard van de magnetische interacties direct de koelcapaciteit van het materiaal dicteert.

Samenvattend toonde de studie aan dat het simpelweg creëren van enkele lege plekken binnen de kristalstructuur van een manganiet de regels van de magnetische interacties fundamenteel kan veranderen. Het materiaal zonder vacatures vertrouwde op interacties met een kort bereik, terwijl het materiaal met vacatures overschakelde naar interacties met een lang bereik. Deze ontdekking benadrukt dat de microscopische architectuur van een materiaal, tot aan de aanwezigheid van ontbrekende atomen, een krachtig instrument is om de eigenschappen ervan af te stemmen. Voor de toekomst van de magnetische koeling suggereert dit dat wetenschappers materialen met specifieke koelcapaciteiten kunnen ontwerpen door de rangschikking van atomen en de introductie van vacatures zorgvuldig te controleren, in plaats van alleen de chemische ingrediënten te veranderen.