Dipoolmagneti ning selle lähedale asetatud alumiiniumist kera vahel eksisteerib nõrk tõmbejõud. Hõbedast kera seevastu tõukuks magnetist. Nende nähtuste taga seisab kaks füüsikateooriat, paramagnetism ja diamagnetism. Üllatavalt saab materjal BiTeI, mis koosneb vismuti, telluuri ning joodi aatomitest, sõltuvalt katsetingimustest olla kas paramagneetik või diamagneetik.
BiTeI on valmistatud vismuti, telluuri ning joodi aatomitest. Potentsiaalse energia pind koosneb kahest kihist (paremal), mis kirjeldab materjali spinn-paardumist.
Ameerika Wako RIKEN Instituudi teadlaste Naoto Nagaosa ning Yoshinori Tokura tehtud avastus oli üllatav, sest tavaliselt paramagnetism ja diamagnetism samas materjalis ei avaldu. BiTeI ning sarnaste materjalide magnetomaduste määravaimaks muutujaks on nende elektrondünaamika. „Elektronide orbitaalliikumine seostub tavaliselt diamagnetismiga. Olime seetõttu üllatunud, et meie arvutused ennustasid BiTeI orbitaalset paramagnetismi,“ seletas Nagaosa. Teooria ennustuse kinnitas eksperimentaalrühma juhtinud Tokura. Artikkel avaldati ühiselt.
Orbitaalne diamagnetism eksisteerib laias materjaliklasside ulatuses, näiteks on kõige tavalisem vesigi diamagneetik. Seevastu kirjeldati orbitaalset paramagnetismi varem vaid üksikutes teoreetilistes teadustöödes. Üks magnetväljas olevate elektronide paramagneetilist kostet tekitavaid mehhanisme on spinn-orbitaal paardumine (spin-orbit coupling). Nimetatud paardumine seob omavahel elektroni laengu ning spinni. Spinn on elektroni seesmine impulsimoment, mis põhjustab ühtlasi elektroni magnetmomendi. BiTeI puhul on spin-orbitaal paardumine eriti tugev, mistõttu on tegemist hea materjaliga erinevate orbitaal-magnetismi efektide uurimiseks.
Orbitaalse paramagnetismi tekitamiseks BiTeI-s on vajalik varieerida selle kristallstruktuuris liikuvate elektronide hulka. Nagaosa leidis koos kolleegidega täpse elektronide arvu vahemiku, milles avaldus materjali paramagnetism. Seejärel näitasid nad, et teises elektronkonfiguratsioonis võimendus hoopis orbitaalne diamagnetism. Materjali uurimise eesmärgil on niisugune dünaamiline magnetism väga soodus.
Tehnoloogiliste rakenduste leidmine jääb esialgu tulevikuraamidesse, ent Nagaosa loodab, et veidrat magnetkäitumist leitakse veel mitmetes materjaliklassides. „Teised vismutmaterjalid, mille struktuur sarnaneb BiTeI-le, peaksid samu omadusi evima, ent ilmselt eksisteerib täiesti erinevaidki orbitaalse paramagnetimiga tahkiseid. Oleme teoreetiliselt näidanud, et samad efektid saavad aset leida ka grafeenisarnastes materjalides,“ seletas Nagaosa.
Allikas: Phys.org
Ehk on pealkirjas mõni kirjaviga?
S.
Kae, ongi! Tänud 🙂