Spinn påverkar fast syrgasens kristallstruktur under extremt magnetiska fält, visar en studie.

8 november 2025 funktion

av Ingrid Fadelli, Phys.org

bidragande skribent

redigerad av Sadie Harley, recenserad av Robert Egan

vetenskaplig redaktör

associerad redaktör

Den här artikeln har granskats enligt Science X redaktionella process och riktlinjer. Redaktörerna har markerat följande attribut medan de säkerställer innehållets trovärdighet:

faktagranskad

peer-reviewed publikation

pålitlig källa

korrekturläst

Att placera material under extremt starka magnetfält kan ge upphov till ovanliga och fascinerande fysiska fenomen eller beteenden. Studier visar specifikt att under magnetfält över 100 tesla (T) börjar spin (dvs. elektronernas inbyggda magnetiska orienteringar) och atomer att bilda nya arrangemang, främja nya faser av materia eller sträcka en kristallgitter.

Ett fysiskt fenomen som kan uppstå under dessa extrema förhållanden kallas magnetisk sträckning. Detta fenomen gör i huvudsak att ett materials kristallstruktur sträcker sig ut, krymper eller deformeras.

När magnetfält över 100 T produceras experimentellt kan de endast upprätthållas under en mycket kort tid, vanligtvis endast några mikrosekunder. Detta beror på att deras generering sätter stor stress på de trådar som används för att producera fälten (dvs. spolar), vilket får dem att brytas nästan omedelbart.

Forskare vid University of Electro-Communications i Tokyo, RIKEN och andra institut i Japan utvecklade nyligen ny utrustning för att kortvarigt producera extremt starka magnetfält runt 110 T och sedan fånga atompositionerna i material under dessa fält.

I en artikel publicerad i Physical Review Letters rapporterar de nya insikter som samlats in när de tillämpade dessa metoder för att studera fast syre.

"Det primära målet med studien är att utforska den extrema världen av ultrahöga magnetiska fält på 100-1 000 T," berättade Akihiko Ikeda, försteförfattare till artikeln, för Phys.org. "I studien genomförde vi en röntgenexperiment över 100 T för första gången, vilket är betydelsefullt med tanke på att utforska frontlinjen."

För att utföra sina experiment använde Ikeda och hans kollegor en bärbar magnetisk fältgenerator de utvecklat, kallad PINK-02. Denna generator möjliggjorde för dem att producera ett extremt högt magnetfält på cirka 110 T i några mikrosekunder.

Forskarna använde sedan laser teknologi för att skjuta ultrasnabba XFEL-röntgenpulser på fasta syrekristaller som var exponerade för detta extremt starka magnetfält. Denna metod gjorde det möjligt för dem att fånga ögonblicksbilder som visade positionerna för fasta syreatomer under magnetpulsen.

"Nyheter i vår artikel är den nyutvecklade bärbara 100 T-generatorn kallad PINK-02, som är avgörande för studien," förklarade Ikeda. "Denna generator kombinerades med röntgen frielektronlaser, vilket bara är möjligt på grund av PINK-02:s portabilitet."

Till slut analyserade teamet ögonblicksbilderna och jämförde positionerna för atomer innan och medan fast syre exponerades för det 110T magnetfältet. Detta resulterade i intressanta resultat, som visade att kristallen genomgick en gigantisk magnetisk sträckning och sträcktes med cirka 1%.

Forskarna kopplade magnetsträckningen de observerade till konkurrerande spininteraktioner och gitterkrafter under starka magnetfält. Därför antyder deras arbete att under magnetfält över 100T påverkar spinn kristallstrukturen hos fasta material, särskilt fast syre.

I framtiden kan den magnetiska fältgenerator de utvecklade och röntgenlasern de använde användas för att studera andra material under samma extrema förhållanden.

"Våra resultat visar att spinn kan påverka stabiliteten hos ett materials kristallstruktur, i fallet med vår studie, det i fasta syre," tillade Ikeda.

"Vi kommer nu försöka avslöja den kristallstruktur hos fasta syre som kallas θ-fasen, genom att ytterligare öka de tillgängliga magnetfälten upp till 120-130 T och kommer avslöja kristallstrukturändringen hos olika material över 100 T."

För skrivning har vår författare Ingrid Fadelli, redigerad av Sadie Harley och faktagranskad och recenserad av Robert Egan, denna artikel är resultatet av noggrant mänskligt arbete. Vi förlitar oss på läsare som dig för att hålla oberoende vetenskaplig journalistik vid liv. Om denna rapportering betyder något för dig, överväg att göra en donation (särskilt månatlig). Du får ett reklamfritt konto som tack.

Mer information: 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.

Tidskriftsinformation: Physical Review Letters

© 2025 Science X Network