Sciencemag.cz
Doporučujeme
V pevných látkách hraje míra uspořádanosti velmi významnou roli v jejich fyzikálních vlastnostech i následných aplikacích. Například pro magnetické atomy je v mnoha případech energeticky výhodné vytvářet tzv. antiferomagnetické uspořádání jejich spinů (magnetických momentů), kde nejbližší sousední atomy v krystalové mříži mají spiny vůči sobě orientované v opačných směrech.
Antiparalelní uspořádání spinů v trojúhelníkové krystalové mříži vede k tzv. frustraci systému, v němž třetí atom v trojúhelníkovém uspořádání „neví“, kterým směrem má svůj spin orientovat (obr. 1a); navíc roli „třetího“ může střídavě přebírat kterýkoli z trojice atomů v trojúhelníku. Toto vzájemné působení mezi atomy vyvolá dynamickou neuspořádanost spinů v systému a je známo, že za určitých okolností může vzniknout tzv. spinová kapalina. Tento neuspořádaný stav se v mnoha ohledech chová podobně jako klasická kapalina, ale při snižování teploty systém nezamrzá a obvykle zůstává v dynamickém „kapalném“ stavu až do teploty absolutní nuly.
Výzkumníkům z Oddělení dielektrik ve FZU se společně s kolegy z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy poprvé podařilo pozorovat elektrickou analogii magnetické spinové kapaliny v krystalu EuAl12O19. Ten vykazuje poměrně komplexní chování: projevují se jeho magnetické vlastnosti díky interakcím mezi spiny atomů europia i jeho elektrické vlastnosti dané specifickým uspořádáním iontů hliníku a kyslíku.
Trojúhelníková mříž s antiparalelně orientovanými magnetickými momenty
Krystalová mříž obsahuje dvojpyramidy AlO5, které jsou uspořádány v trojúhelníkové struktuře (obr. 1b). Záporně nabité ionty kyslíku vytvářejí klec, ve které se může kladně nabitý iont hliníku do určité míry pohybovat. Elektrická odezva materiálu vzniká právě vysouváním iontů hliníku vůči středu této klece: posuvem kladného hliníku vzhledem k záporné kleci vzniká elektrický dipólový moment. Dynamika těchto dipólů je pro chování krystalu určující.
Při pokojové teplotě ionty Al kmitají na terahertzových frekvencích zcela nezávisle na pohybu iontů Al v sousedních dvojpyramidách; s ochlazováním se jejich pohyb postupně zpomaluje na GHz a MHz frekvence. U teploty 49 K dojde ke kvalitativní změně: pohyby sousedních dipólů se začnou vzájemně ovlivňovat a vznikne mezi nimi silná korelace vedoucí k jejich frustraci a ke vzniku dipolární kapaliny. Pohyb dipólů se při ochlazování dále zpomaluje a ustane (zamrzne) až při teplotě absolutní nuly. Toto chování se odráží ve změřených dielektrických spektrech.
Vznik frustrované antipolární fáze dokládá široký soubor našich výsledků: kromě dielektrických spekter je to zejména synchrotronová rentgenová difrakce, dále měření měrného tepla, akustických a optických kmitů krystalové mříže, tepelné roztažnosti a elektrické polarizace materiálu; tato fáze byla potvrzena též teoretickými výpočty z prvních principů.
Objev dipolární kapaliny v EuAl12O19 bude zcela jistě motivovat další vědce k hledání tohoto neobvyklého chování i v jiných materiálech. Za určitých podmínek totiž může vzniknout kvantová dipolární kapalina, která by díky kvantovému provázání dipólů na dlouhou vzdálenost mohla být využitelná v kvantových počítačích.
G. Bastien et al. Advanced Materials 36, 2410282 (2024)
Autoři: Petr Kužel, Stanislav Kamba, Petra Köppl
