Учёные открыли первые ферромагнитные квазикристаллы
Квазикристаллы лишь в дальнем порядке похожи на обычные кристаллы. Ученые уже давно ищут физические свойства, связанные с их особой структурой — и вот нашли!
В чём суть? Международная группа исследователей во главе с Токийским университетом науки сообщила о дальнем магнитном порядке в квазикристалле с икосаэдрической симметрией, который превращается в ферромагнетизм ниже определенных температур.
В 1984 году при самом обычном исследовании алюминиево-марганцевого сплава была обнаружена любопытная аномалия, которая ранее считалась кристаллографически невозможной. Учёные обнаружили пятикратную вращательную симметрию. Его упорядочение оказалось «квазипериодическим», что привело к экзотической симметрии. Это и был квазикристалл, открытие которого впоследствии удостоилось Нобелевской премии. С тех пор квазикристаллы стали предметом огромного научного интереса.
Квазикристаллы — это упорядоченные вещества, обладающие дальним порядком, но трансляционной симметрией не обладающие. Это значит, что нельзя выделить какой-то маленький кусочек кристалла (элементарную ячейку) и бесконечно много раз продублировав его, получить кристаллическую структуру.
Пространство в квазикристаллах заполняется крайне необычно — там может быть больше одной элементарной ячейки, которые причудливо комбинируются между собой. При этом, структура обладает дальним порядком и предсказать ее поведение на дальних расстояниях возможно — как и в случае обычного кристалла.
Их потенциальное применение, правда, пока неясно, ведь до сегодняшнего дня не было замечено никаких особенных физических свойств, указывающих на их дальний квазипериодический порядок — например, дальний магнитный. Вообще существует четыре основных типа магнитного порядка: ферромагнетизм, антиферромагнетизм, парамагнетизм и диамагнетизм.
Для исследования научная группа подготовила сплавы золота, галлия и гадолиния и золота, галлия и тербия. Используя обычную рентгеновскую дифракцию, они наблюдали образование икосаэдрической квазикристаллической фазы как для Au-Ga-Gd, так и для Au-Ga-Tb.
Что было сделано? Ученые исследовали свойства двух полученных квазикристаллов с помощью измерения магнитной восприимчивости и удельной теплоемкости. Они обнаружили, что оба сплава демонстрируют ферромагнитный фазовый переход при низких температурах — в 23 K и 16 K соответсвенно, что свидетельствует о наличии дальнего магнитного порядка. Также ученые подтвердили ферромагнитную природу квазикристаллов — рассмотрев дифракцию нейтронов при различных температурах. Ниже температур перехода наблюдались заметные пики Брэгга.
До сих пор попытки синтезировать ферромагнитные квазикристаллы оборачивались неудачей — у исследователей получались спиновые стёкла, характеризующимся неупорядоченным магнитным состоянием. Потребовались десятилетия, чтобы обнаружить дальнодействующий магнитный порядок в квазикристаллах.
Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.