Spins beïnvloeden de kristalstructuur van vast zuurstof onder extreme magnetische velden, zo blijkt uit een onderzoek.

8 november 2025 kenmerk

door Ingrid Fadelli, Phys.org

bijdragend schrijver

redigeerd door Sadie Harley, beoordeeld door Robert Egan

wetenschappelijk redacteur

hoofdredacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

feiten gecontroleerd

peer-reviewed publicatie

vertrouwde bron

nagelezen

Het plaatsen van materialen onder extreem sterke magnetische velden kan leiden tot ongewone en fascinerende fysische fenomenen of gedrag. Specifiek tonen studies aan dat onder magnetische velden boven 100 tesla (T), spins (dwz intrinsieke magnetische oriëntaties van elektronen) en atomen nieuwe rangschikkingen beginnen te vormen, nieuwe fasen van materie bevorderen of een kristalrooster uitrekken.

Een fysiek effect dat onder deze extreme omstandigheden kan plaatsvinden, staat bekend als magnetostrictie. Dit effect zet in feite de kristalstructuur van een materiaal aan tot uitrekken, krimpen of vervormen.

Wanneer experimenteel magnetische velden van boven de 100 T worden geproduceerd, kunnen ze slechts voor een zeer korte tijd worden gehandhaafd, meestal slechts voor een paar microseconden. Dit komt doordat de generatie ervan grote stress veroorzaakt op de draden die worden gebruikt om de velden te produceren (dwz spoelen), waardoor ze vrijwel onmiddellijk breken.

Onderzoekers van de Universiteit van Electro-Communications in Tokio, RIKEN en andere instituten in Japan hebben onlangs nieuwe apparatuur ontwikkeld om kortstondig extreem sterke magnetische velden rond 110 T te produceren en vervolgens de posities van atomen in materialen onder deze velden vast te leggen.

In een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters, melden ze nieuwe inzichten verkregen bij het toepassen van deze methoden op de studie van vast zuurstof.

'Het primaire doel van de studie is om de extreme wereld van ultrahoog magnetische velden van 100-1.000 T te verkennen,' vertelde Akihiko Ikeda, eerste auteur van het artikel, aan Phys.org. 'In de studie hebben we voor het eerst een X-ray-experiment boven 100 T uitgevoerd, wat significant is in termen van het verkennen van de frontier.'

Om hun experimenten uit te voeren, gebruikten Ikeda en zijn collega's een draagbare magnetische veldgenerator die ze hadden ontwikkeld, genaamd PINK-02. Met deze generator konden ze gedurende een paar microseconden een extreem hoog magnetisch veld van ongeveer 110 T produceren.

De onderzoekers gebruikten vervolgens lasertechnologie om ultrasnelle XFEL X-ray pulsen af te vuren op vaste zuurstofkristallen die waren blootgesteld aan dit extreem sterke magnetische veld. Deze aanpak stelde hen in staat snapshots vast te leggen die de posities van vaste zuurstofatomen tijdens de magnetische puls lieten zien.

'Het nieuwtje van ons artikel is de nieuw bedachte draagbare 100 T-generator genaamd PINK-02, essentieel voor de studie,' legde Ikeda uit. 'Deze generator werd gecombineerd met de X-ray free-electron laser, wat alleen mogelijk is vanwege de draagbaarheid van PINK-02.'

Uiteindelijk analyseerde het team de snapshots en vergeleek de posities van atomen voordat en terwijl vast zuurstof werd blootgesteld aan het 110T magnetische veld. Dit leverde interessante resultaten op, waarbij bleek dat het kristal een gigantische magnetostrictie onderging en met ongeveer 1% werd uitgerekt.

De onderzoekers linken de magnetostrictie die ze observeerden aan concurrerende spininteracties en roosterkrachten onder sterke magnetische velden. Daarom suggereert hun werk dat onder magnetische velden boven 100 T, spins de kristalstructuur van vaste materialen beïnvloeden, met name vast zuurstof.

In de toekomst zou de magnetische veldgenerator die ze hebben ontwikkeld en de X-ray laser die ze hebben gebruikt, kunnen worden gebruikt om andere materialen te bestuderen onder dezelfde extreme omstandigheden.

'Onze bevindingen tonen aan dat spins de stabiliteit van de kristalstructuur van een materiaal kunnen beïnvloeden, in het geval van onze studie die van vast zuurstof,' voegde Ikeda toe.

'We zullen nu proberen de kristalstructuur van vast zuurstof genaamd de θ fase te onthullen, door de beschikbare magnetische velden verder te verhogen tot 120 tot 130 T en zullen de kristalstructuurverandering in verschillende materialen boven 100 T onthullen.'

Geschreven voor u door onze auteur Ingrid Fadelli, geredigeerd door Sadie Harley, en gecontroleerd en beoordeeld door Robert Egan—dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals u om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek levend te houden. Als deze berichtgeving belangrijk voor u is, overweeg dan een donatie (vooral maandelijks). U krijgt een advertentievrij account als bedankje.

Meer informatie: Akihiko Ikeda et al, X-Ray Free-Electron Laser Observation of Giant and Anisotropic Magnetostriction in β-O2 at 110 Tesla, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/r7br-qnrn.

Tijdschriftinformatie: Physical Review Letters

© 2025 Science X Network