Collective spin reorientation-triggered large hysteresis-free magnetostriction with high strain sensitivity in TbMn6Sn6

Materie is zelden zo stil als ze lijkt te zijn. Zelfs in een massief blok metaal zitten de atomen gevangen in een rigide rooster, maar de minuscule magnetische velden die door hun elektronen worden gegenereerd, interageren voortdurend met elkaar door op elkaar te duwen en aan elkaar te trekken. Wanneer deze magnetische krachten verschuiven, kunnen ze soms zelfs aan de atomen zelf trekken, waardoor het hele materiaal uitrekt of krimpt. Dit fenomeen, bekend als magnetostrictie, is de reden waarom sommige apparaten brommen of trillen wanneer er elektriciteit doorheen stroomt. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar materialen die een magnetisch veld konden omzetten in een krachtige, precieze mechanische beweging, in de hoop betere sensoren, motoren en medische instrumenten te bouwen. De uitdaging was altijd geweest het vinden van een materiaal dat sterk uitrekt zonder vast te komen zitten in een cyclus van hysteresis, waarbij het materiaal zijn vorige toestanden onthoudt en weigert netjes terug te springen, en dat zelfs reageert op de kleinste veranderingen in de magnetische kracht.

Een team van onderzoekers heeft nu een specifieke kristal geïdentificeerd die precies dit doet. Door een verbinding te bestuderen die bestaat uit terbium, mangaan en tin, ontdekten ze een manier om een enorme, omkeerbare rek te triggeren door simpelweg een magnetisch veld toe te passen. Het materiaal, genaamd TbMn6Sn6, bevat lagen atomen die gerangschikt zijn in een honingraatachtig patroon. Binnen deze structuur werken de magnetische momenten van de atomen als kleine kompasnaalden. Bij kamertemperatuur wijzen deze naalden grotendeels omhoog en omlaag, loodrecht op de lagen. Echter, wanneer er een magnetisch veld zijwaarts wordt toegepast, draait de hele groep naalden gezamenlijk om om in de nieuwe richting te wijzen. Deze collectieve draai, die gebeurt zonder dat het materiaal blijft steken of achterblijft, zorgt ervoor dat het kristal dramatisch uitzet en inkrimpt. De onderzoekers ontdekten dat dit materiaal met meer dan 160 delen per miljoen kan uitrekken bij kamertemperatuur, en dat het effect nog sterker wordt naarmate de temperatuur daalt, waarbij het ongeveer 400 delen per miljoen bereikt bij 200 Kelvin. Misschien wel het meest indrukwekkend is dat het materiaal ongelooflijk gevoelig is; nabij een specifieke overgangstemperatuur van ongeveer 310 Kelvin produceert een minuscule verandering in het magnetische veld een grote verandering in de vorm van het materiaal, wat het een van de meest responsieve materialen van zijn soort maakt die ooit gemeten zijn.

Om te begrijpen hoe dit gebeurt, brachten de wetenschappers eerst het magnetische gedrag van het kristal in kaart. Ze observeerden dat, naarmate ze het magnetische veld verhoogden, het materiaal zijn magnetisme niet abrupt omklapte. In plaats daarvan roteerden de magnetische naalden geleidelijk van het wijzen naar boven en beneden naar het plat liggen binnen de lagen. Deze rotatie vindt plaats binnen een zeer specifts bereik van magnetische veldsterkte. De onderzoekers maten de fysieke spanning van het kristal tijdens dit proces en ontdekten dat de rek zich bijna volledig binnen datzelfde smalle bereik afspeelde. Zodra de naalden klaar waren met roteren en zich in de nieuwe platte positie hadden genesteld, stopte de rek en behield het materiaal zijn nieuwe vorm. Deze directe link tussen de magnetische rotatie en de fysieke rek bevestigde dat de twee gebeurtenissen in nauwe samenhang plaatsvonden. Het materiaal rekte uit zonder de rommelige vertraging of het "geheugen" dat dergelijke systemen gewoonlijk teistert, wat betekent dat het met perfecte precisie herhaaldelijk aan- en uitgezet kon worden.

Het team keek vervolgens in het materiaal om te zien wat er op een kleinere schaal gebeurde. Met behulp van een speciale microscoop die magnetische velden visualiseert, bekeken ze de interne structuur van het kristal terwijl het magnetische veld veranderde. Ze zagen dat het materiaal van nature verdeeld is in regio's die domeinen worden genoemd, waar de magnetische naalden in iets verschillende richtingen wijzen, wat een gestreept patroon vormt. Terwijl het magnetische veld werd toegepast, gleden deze strepen niet simpelweg langs elkaar heen; ze draaiden en reorganiseerden zich volledig. Het hele patroon van strepen reconstruerde zichzelf om overeen te komen met de nieuwe richting van het magnetische veld. Deze real-time observatie bewees dat de rek niet werd veroorzaakt door een paar atomen die hier en daar bewogen, maar door een collectieve, gecoördineerde reorganisatie van de gehele magnetische structuur. Het materiaal was in feite zijn interne landschap aan het hervormen om de nieuwe magnetische staat te accommoderen, en deze hervorming trok het kristalrooster mee.

Om te verklaren waarom de rek zo groot en zo directioneel was, maakten de onderzoekers gebruik van computersimulaties gebaseerd op de wetten van de kwantumfysica. Ze modelleerden hoe de atomen en hun magnetische velden interageren wanneer de naalden roteren. De berekeningen toonden aan dat de rotatie de afstand tussen de atomen verandert op een manier die afhankelijk is van de richting van het veld. Wanneer de magnetische naalden van het wijzen naar boven naar het wijzen naar de zijkant draaiden, veranderde de ruimte tussen de lagen van atomen, en de afstand binnen de lagen breidde uit. De simulaties onthulden dat deze verandering werd gedreven door de manier waarop de magnetische krachten tussen de atomen, bekend als uitwisselingsinteracties, reageerden op de nieuwe oriëntatie. De magnetische krachten tussen de atomen zijn extreem gevoelig voor de afstand tussen de atomen. Wanneer de magnetische naalden draaiden, verschoof het evenwicht van deze krachten, waardoor de atomen in een nieuwe, iets grotere rangschikking terechtkwamen. Dit microscopische touwtrekken tussen magnetische krachten en atomaire afstand is wat de macroscopische rek creëert die we kunnen meten.

Een van de meest opvallende bevindingen was het verschil tussen de mate waarin het materiaal uitrekte en de snelheid waarmee het reageerde. Hoewel het materiaal het meest uitrekte bij lagere temperaturen, was het vermogen om snel te reageren op een veranderend magnetisch veld het hoogst nabij kamertemperatuur, specifiek rond 310 Kelvin. Bij deze temperatuur vindt de magnetische rotatie plaats over een zeer smal bereik van magnetische veldsterkte. Omdat het gehele rekproces in zo'n klein venster van magnetische verandering wordt samengeperst, produceert zelfs een minuscule tik van het magnetische veld een grote mechanische respons. De onderzoekers berekenden deze gevoeligheid en vonden deze uitzonderlijk hoog, wat veel andere bekende materialen ver overstijgt. Dit betekent dat het materiaal nabij deze specifieke temperatuur werkt als een zeer efficiënte converter, die een klein magnetisch signaal omzet in een significante mechanische beweging. De studie weerlegt het idee dat dit effect simpelweg komt door het uitzetten of krimpen van het materiaal door warmte; de rek vindt alleen plaats wanneer het magnetische veld wordt toegepast, wat bewijst dat het een direct resultaat is van de magnetische reconstructie.

Dit werk legt een duidelijk pad vast voor het ontwerpen van toekomstige materialen die met magnetische velden kunnen worden aangestuurd. Door te begrijpen dat een collectieve rotatie van magnetische momenten een grote, zuivere en gevoelige mechanische respons kan aandrijven, kunnen wetenschappers nu zoeken naar andere materialen met vergelijkbare eigenschappen. De sleutel is het vinden van systemen waarbij de magnetische orde gemakkelijk kan worden georganiseerd en waarbij die reorganisatie nauw gekoppeld is aan de fysieke structuur van het kristal. De onderzoekers hebben aangetoond dat in TbMn6Sn6 de overgang van de ene magnetische staat naar de andere niet alleen een verandering in richting is, maar een fundamentele herstructurering van de interne krachten van het materiaal. Deze herstructurering trekt de atomen in een nieuwe configuratie, wat een krachtig en precies mechanisch effect creëert. De bevindingen suggereren dat door materialen zo te ontwerpen dat ze soortgelijke collectieve overgangen ondergaan, het mogelijk is om apparaten te creëren die responsiever, efficiënter en betrouwbaarder zijn dan alles wat momenteel beschikbaar is. De studie biedt een blauwdruk voor hoe men de kracht van magnetische reconstructie kan aanwenden om de volgende generatie slimme materialen te bouwen.