Omgekeerde natuur: magnetische spins die ‘bevriezen’ bij opwarming

Natuurkundigen hebben ontdekt dat een bepaald magnetisch materiaal zich vreemd gedraagt als het opgewarmd wordt. De magnetische spins ‘bevriezen’ en vormen een statisch patroon wanneer de temperatuur hoger wordt – een fenomeen dat normaal gesproken optreedt bij een verlaging van de temperatuur in magneten. Ze publiceren hun bevindingen in Nature Physics op 4 juli.

De onderzoekers zagen het fenomeen in het materiaal neodymium, een element dat ze een aantal jaar geleden voor het eerst beschreven als een ‘zelf-geïnduceerd spin-glas’. Een spin-glas is meestal een legering waarbij bijvoorbeeld ijzeratomen willekeurig vermengd zitten in een raster van koperatomen. Elk ijzeratoom gedraagt zich als een kleine magneet, en wordt ook wel een ‘spin’ genoemd. Deze willekeurig geplaatste spins wijzen in allerlei verschillende richtingen.

Anders dan de normale spin-glassen waarbij magnetische materialen willekeurig door elkaar heen vermengd zijn, is neodymium een element zonder aanzienlijke hoeveelheden van ander materiaal in zich. En toch vertoont het ‘glasachtig’ gedrag in zijn kristalvorm: De spins in neodymium vormen patronen die als een helix wervelen, op een willekeurige manier die constant verandert.

Tegenintuïtief

In deze nieuwe studie ontdekten de onderzoekers dat, wanneer ze neodymium opwarmden van -268 graden tot 265 graden Celsius, de spins bevroren tot een vast patroon en daarmee een type magneet vormden. Wanneer ze het materiaal weer afkoelden, kwam het willekeurige wervelende helixpatroon weer terug. ‘Dit “bevriezen” van het patroon komt normaal gesproken niet voor in magnetisch materiaal’, zegt Alexander Khajetoorians, hoogleraar Scanning Probe Microscopy aan de Radboud Universiteit.

Magnetische spins

Figuur: De spins in het materiaal vormen willekeurige patronen bij koudere temperaturen, waarbij elk patroon als een helix wervelt met een specifieke draaiing. Bij opwarming van het materiaal kiezen de spins één van deze specifieke patronen, een fenomeen dat normaal gesproken optreedt wanneer de temperatuur verlaagd wordt in magnetische materialen.

Wanneer de temperatuur stijgt, wordt de energie in een vaste stof, vloeibare stof of gas verhoogd. Hetzelfde geldt in een magneet: bij een hogere temperatuur beginnen de spins te schudden. ‘Het magnetische gedrag in neodymium dat we zagen is eigenlijk het tegenovergestelde van wat normaal gesproken gebeurt. Het is behoorlijk tegenintuïtief; alsof water verandert in een ijsblokje wanneer je het opwarmt’, aldus Khajetoorians.

Dit soort fenomenen worden niet vaak gezien in de natuur. Er zijn maar weinig materialen bekend die zich omgekeerd gedragen. En ander bekend voorbeeld is Rochellezout, waar bij hogere temperaturen lading opgebouwd wordt en een geordend patroon vormt, en bij lagere temperaturen willekeurig verspreid wordt.

Hoe het werkt

De complexe theoretische beschrijving van een spin-glas was het onderwerp van de Nobelprijs in de Natuurkunde, die in 2021 aan Giorgio Parisi werd uitgereikt. Het is ook voor andere wetenschappelijke velden relevant om uit te zoeken hoe spin-glas werkt. ‘Als we uiteindelijk kunnen modelleren hoe deze materialen zich gedragen, kan het gedrag van een grote groep andere materialen hier ook van afgeleid worden.’

Het onderliggende vreemde gedrag wordt door de onderzoekers gelinkt aan het concept van ontaarding - waar verschillende toestanden in een materiaal dezelfde energie bevatten, en het systeem wordt gefrustreerd. Temperatuur verbreekt deze toestand: bepaalde toestanden blijven hierdoor over, waardoor het systeem zich in één patroon vestigt. ‘We zouden in de toekomst misschien in staat kunnen zijn om dit gedrag in materiaal te benutten voor nieuwe soorten informatieopslag of rekenconcepten, zoals computers gebaseerd op het brein.’

Contactinformatie

Meer weten? Neem contact op met de onderzoeker zelf of met Persvoorlichting & Wetenschapscommunicatie via 024 361 6000 of media [at] ru.nlrel="noreferrer noopener" target="_blank"

Thema
Moleculen en materialen, Natuurwetten

Aan deze website wordt nog gewerkt. Meer informatie: 'een nieuwe website'.