Materiālā YbMnBi₂ saglabājas virzienā orientētas spinu svārstības arī pēc tam, kad pazūd tradicionālā magnētiskā kārtība. Rīsa universitātes pētnieki uzskata, ka šis iepriekš nepietiekami pētītais savienojums starp magnētisko uzvedību un elektronu kustību var būt saistīts ar materiāla izteikto anomālo Hola efektu.

Pētījums apšauba agrāku skaidrojumu, saskaņā ar kuru neparasto elektrisko reakciju izraisa slīpi jeb sašķiebti magnētiskie spini. Neitronu eksperimenti parādīja, ka mangāna spini materiālā būtībā saglabājas savstarpēji paralēli. Tāpēc pētnieki kā iespējamu neparastās Hola atbildes avotu izceļ mijiedarbību starp mangānu un iterbiju.

Magnētisks stāvoklis, kas atgādina šķidro kristālu

Lielākā daļa magnētisko materiālu pēc uzkarsēšanas virs magnētiskās kārtības temperatūras zaudē organizētu spinu struktūru. YbMnBi₂ uzvedas citādi: arī pēc ilgās darbības magnētiskās kārtības izzušanas tā mangāna spini turpina svārstīties galvenokārt noteiktos virzienos.

Šāda uzvedība atgādina šķidro kristālu. Tajā molekulas var brīvi kustēties, tomēr saglabā noteiktu orientāciju. Rīsa universitātes fiziķis Pengčens Dai un viņa komanda šo stāvokli nodēvējuši par magnētisko šķidro kristālu. Mērījumi veikti ar neitronu eksperimentiem Oakridžas Nacionālās laboratorijas High Flux Isotope Reactor un Spallation Neutron Source iekārtās.

Eksperimenti palīdzēja atbildēt arī uz ilgstoši apspriestu jautājumu par YbMnBi₂. Daži pētnieki bija izteikuši pieņēmumu, ka slīpi spini varētu radīt tā dēvēto Vaila stāvokli, kas izraisītu materiāla neparasto elektrisko reakciju. Tomēr neitronu dati šādu ainu materiāla tilpumā neapstiprināja.

“Vairāki iepriekš piedāvātie skaidrojumi paredz, ka magnētiskie spini ir sašķiebti. Mūsu mērījumi parādīja, ka spini būtībā ir kolineāri,” sacīja Rīsa universitātes doktorants un viens no pētījuma pirmajiem autoriem Jaofens Sji.

Iterbija loma neparastajā magnētismā

Pēc tam pētnieki pārbaudīja, kas notiek, ja no savienojuma izņem magnētisko iterbiju. Viņi salīdzināja YbMnBi₂ ar CaMnBi₂, kur iterbijs aizstāts ar nemagnētisku kalciju. Kalcija savienojumā virzienā orientētās spinu svārstības pazuda.

Šis salīdzinājums deva komandai pierādījumus, ka iterbijam ir būtiska loma neparastā magnētiskā stāvokļa veidošanā. Turpmākie mērījumi parādīja, ka dažiem iterbija joniem pašiem piemīt magnētiskie momenti.

Šie momenti var reaģēt uz ārēju magnētisko lauku un mijiedarboties ar mangāna spiniem. Pētnieku aprēķini liecina, ka šī mijiedarbība var ietekmēt arī elektronu pārvietošanos YbMnBi₂.

Iespējams skaidrojums lielajam anomālajam Hola efektam

Hola efekts parasti rada sāniski vērstu spriegumu, kad elektriskā strāva plūst caur materiālu magnētiskā lauka ietekmē. Magnētiski materiāli var radīt ar to saistītu reakciju arī bez ārēja magnētiskā lauka. YbMnBi₂ piemīt īpaši liels anomālais Hola efekts, un pētnieki tagad pieļauj, ka tā izcelsmi varētu palīdzēt izskaidrot neparastās magnētiskās svārstības.

Komandas modelis sasaista iterbija magnētiskos momentus ar mangāna spiniem, kas svārstās noteiktos virzienos. Ārējs magnētiskais lauks varētu šīs mijiedarbības sakārtot tā, lai tās novirzītu kustīgos elektronus.

“Būtiski ir tas, ka iterbija momenti un mangāna spinu svārstības darbojas kopā,” sacīja Dai. Viņaprāt, šī mijiedarbība var mainīt elektronu kustību un veicināt lielo Hola atbildi.

Rezultāts pētniekiem piedāvā citu veidu, kā analizēt anomālo Hola efektu, un parāda, ka magnētiskā nekārtība ne vienmēr nozīmē pilnīgi nejaušu stāvokli. YbMnBi₂ spini zaudē ilgās darbības kārtību, bet saglabā virziena preferences, tādējādi radot stāvokli, kas vairāk līdzinās šķidrajam kristālam nekā parastam uzkarsētam magnētam.

Pētījums publicēts žurnālā Physical Review X.