Onde di Meraviglia: Fisici Svelano gli Spin Exciton nei Magnetici di Nichel

(Pannello sinistro) Nei cristalli di molibdato di nichel composti da due parti di nichel, tre parti di molibdeno e otto parti di ossigeno, gli ioni di nichel sono soggetti a ambienti cristallini tetraedrici e ottaedrici, e gli ioni sono bloccati in reticoli triangolari in ciascun ambiente. (Pannello destro) Gli spin degli eccitoni del campo elettrico del cristallo dei siti tetraedrici nei cristalli di molibdato di nichel formano un pattern disperso e diffusivo intorno al bordo della zona di Brillouin, probabilmente a causa dell'entanglement di spin e delle frustrazioni geometriche. Le metà destre e sinistre del pannello mostrano diverse simulazioni di questi pattern. Crediti: Bin Gao / Rice University

La diffrazione neutronica rivela onde coerenti di "eccitoni di spin" nel cristallo di nichelato.

Fisici dell'Università di Rice hanno scoperto "eccitoni di spin" nei cristalli di molibdato di nichel, un nuovo tipo di eccitazione magnetica che può propagarsi come onde coerenti, offrendo una comprensione delle frustrazioni magnetiche nei reticoli triangolari.

Abitualmente, quando si perturbano gli spin degli elettroni in un magnete si ottengono eccitazioni chiamate "onde di spin" che si propagano attraverso il magnete come onde su un laghetto colpito da un sasso. In uno studio recente, i fisici dell'Università di Rice e i loro collaboratori hanno scoperto delle eccitazioni drammaticamente diverse, denominate "eccitoni di spin", che possono "propagarsi" attraverso un magnete a base di nichel come un'onda coerente.

In uno studio pubblicato sulla rivista Nature Communications, i ricercatori hanno rilevato proprietà insolite nel molibdato di nichel, un cristallo magnetico a strati. Le particelle subatomiche chiamate elettroni somigliano a minuscoli magneti e si orientano di norma come aghi della bussola rispetto ai campi magnetici. In esperimenti in cui i neutroni sono stati diffusi dagli ioni di nichel magnetici all'interno dei cristalli, i ricercatori hanno scoperto che i due elettroni più esterni di ciascun ione di nichel si comportavano in modo diverso. Invece di allineare i loro spin come aghi della bussola, i due si negate reciprocamente in un fenomeno che i fisici chiamano un singoletto di spin.

"Tale sostanza non dovrebbe essere un magnete", ha detto Pengcheng Dai dell'Università di Rice, autore corrispondente dello studio. "E se un neutrone si diffonde da un dato ione di nichel, le eccitazioni dovrebbero rimanere locali e non propagarsi attraverso il campione".

Pengcheng Dai è il professore Sam e Helen Worden di fisica e astronomia presso l'Università di Rice. Crediti: Jeff Fitlow / Rice University

Dai e i suoi collaboratori sono rimasti quindi sorpresi quando gli strumenti negli esperimenti di diffrazione neutronica hanno rilevato non una, ma due famiglie di onde in propagazione, ognuna a energie molto diverse.

Per capire le origini delle onde, era necessario approfondire i dettagli atomici dei cristalli magnetici. Ad esempio, le forze elettromagnetiche degli atomi nei cristalli possono competere con il campo magnetico e influenzare gli elettroni all'interno degli atomi vicini. Questo è chiamato effetto di campo cristallino e può forzare gli spin degli elettroni a orientarsi lungo direzioni distinte dall'orientamento del campo magnetico. Indagare gli effetti di campo cristallino nei cristalli di molibdato di nichel ha richiesto ulteriori esperimenti e l'interpretazione teorica dei dati ottenuti dagli esperimenti.

"La collaborazione tra gruppi sperimentali e teorici è fondamentale per dipingere un quadro completo e comprendere le insolite eccitazioni di spin osservate in questa sostanza", ha dichiarato Emilia Morosan dell'Università di Rice, coautrice dello studio.

Il gruppo di Morosan ha indagato la risposta termica dei cristalli ai cambiamenti di temperatura mediante misurazioni del calore specifico. Da tali esperimenti i ricercatori hanno dedotto che nel molibdato di nichel a strati si sono verificati due tipi di ambienti di campo cristallino e questi hanno influenzato in modo molto diverso gli ioni di nichel coinvolti.

"In uno, l'effetto di campo è piuttosto debole e corrisponde a un'energia termica di circa 10 Kelvin", ha detto Andriy Nevidomskyy, autore dello studio, fisico teorico di Rice che ha aiutato a interpretare i dati sperimentali. "Non sorprende vedere, a temperature di pochi Kelvin, che i neutroni possono eccitare onde magnetiche di spin dagli atomi di nichel che sono sottoposti a questo primo tipo di effetto di campo cristallino. Ma è molto sorprendente vederli provenire dagli atomi di nichel sottoposti al secondo tipo, quelli che hanno una disposizione tetraedrica di ossigeni intorno a loro e un effetto di campo elettrico quasi 20 volte più forte, il che significa che le eccitazioni sono molto più difficili da creare."

Nevidomskyy ha spiegato quanto segue: "Questo può essere compreso come se gli spin degli ioni di nichel corrispondenti avessero una diversa 'massa'. L'analogia riguarda i palloni da basket pesanti intercalati con quelli da tennis. Per eccitare gli spin del secondo tipo, i palloni da basket più pesanti, è necessario amministrare un calcio più forte, inviando sui materiali neutroni più energetici".

The resulting effect on the nickel spin is called a spin exciton, and one would normally expect the effect of the exciton-producing “kick” to be confined to a single atom. But measurements from the experiments indicated “basketballs” were moving in unison, creating an unexpected sort of wave. Even more surprising, the waves appeared to persist at relatively high temperatures where the crystals no longer behaved as magnets.

The explanation offered by Nevidomskyy and theorist co-author Leon Balents from the University of California, Santa Barbara was: Heavier spin excitons — basketballs in the analogy — bob in response to the fluctuations of the surrounding, lighter magnetic excitons — the analogous tennis balls — and if the interactions between the two types of balls are sufficiently strong, the heavier spin excitons participate in a coherent motion akin to a wave.

“What is particularly interesting,” Dai said, “is that the two kinds of nickel atoms each form a triangular lattice, and the magnetic interactions within this lattice are therefore frustrated.”

In magnetism on triangular lattices, frustration refers to the difficulty in aligning all the magnetic moments anti-parallel (up-down) with respect to their three immediate, nearest neighbors.

Understanding the role of magnetic frustrations in triangular lattices is one of the long-standing challenges that Dai and Nevidomskyy have both been working to address for a number of years.

“It is very exciting to find a puzzle, against one’s expectations, and then feel a sense of satisfaction of having understood its origin,” said Nevidomskyy.

Dai, Morosan and Nevidomskyy are members of the Rice Quantum Initiative. Dai is the Sam and Helen Worden Professor of Physics and Astronomy. Morosan is a professor of physics and astronomy, and of chemistry. Nevidomskyy is an associate professor of physics and astronomy. The neutron scattering experiments were carried out by Bin Gao and Tong Chen in Dai’s group in collaboration with instrument scientists at Oak Ridge National Laboratory and ISIS Neutron and Muon Source at Rutherford Appleton Laboratory. Chien-Lung Huang, a research scientist in Morosan’s group, performed the specific heat measurements and analysis.