מדענים בינלאומיים גילו שהמגנטוסטריקציה משפיעה באופן משמעותי על לוקליזציה של מיאון בחומרים מסוימים, והפכה את ההנחות הקודמות בספקטרוסקופיה של מיאון. פריצת דרך זו, המושגת באמצעות סימולציות מתקדמות, שופכת אור על מעברי הפאזות המגנטיים בתחמוצת מנגן ויש לה השלכות על לימוד חומרים דומים.
ספקטרוסקופיה של מיאון משמשת כשיטה ניסיונית חיונית לחקר המאפיינים המגנטיים של חומרים. טכניקה זו כוללת הטמעת מיואון מקוטב ספין בתוך סריג הגביש ותצפית על השפעת הסביבה הסובבת על התנהגותו. הוא פועל על פי העיקרון שהמיואון יתמקם במיקום מסוים המושפע בעיקר מכוחות אלקטרוסטטיים, מיקום שניתן לזהות באמצעות חישוב המבנה האלקטרוני של החומר.
אבל מחקר חדש בראשות מדענים באיטליה, שוויץ, בריטניה וגרמניה מצא שלפחות לגבי חומרים מסוימים, זה לא סוף הסיפור: אתר המיון יכול להשתנות עקב השפעה ידועה אך הוזנחה בעבר. , מגנטוסטרציה.
פייטרו בונפה מאוניברסיטת פארמה, המחבר הראשי של המחקר שפורסם זה עתה ב מכתבי סקירה פיזיתמסביר שהקבוצה שלו ועמיתיהם ב- אוניברסיטת אוקספורד (בריטניה) השתמשו בסימולציות של תיאוריית צפיפות-פונקציונליות (DFT) במשך עשור לפחות כדי למצוא אתרי מיאון.
"התחלנו עם מקרים מסובכים, כמו תחמוצת אירופיום ותחמוצת מנגן, ובשני המקרים, לא הצלחנו למצוא דרך סבירה ליישב את תחזיות ה-DFT והניסויים", הוא אומר. "לאחר מכן בדקנו מערכות פשוטות יותר והיו לנו הרבה תחזיות מוצלחות, אבל שני המקרים האלה ממש הפריעו לנו. התרכובות הללו צריכות להיות קלות אך במקום זאת התבררו כסופר מסובכות ולא הבנו מה קורה. תחמוצת מנגן היא מקרה ספרי של מערכת אנטי-פרומגנטית, ולא יכולנו להסביר את תוצאות הספקטרוסקופיה של מיאון עבורה, וזה היה קצת מביך".
הבעיה, הוא מסביר, הייתה הסתירה בין הציפייה למצוא את המיון במצב סימטריה גבוה, לבין הנטייה הידועה שלו ליצור קשרים עם אטומי חמצן. הסדר האנטי-פרומגנטי של החומר מפחית את הסימטריה, והמיקום הקרוב לאטומי החמצן הופך לבלתי תואם לניסויים.
אתגרים ופתרונות בסימולציות DFT
Bonfà חשד שניתן לקשר את ההסבר לחומר שעובר מעבר פאזה מגנטי והחל לנסות לשחזר את התופעה בסימולציות של תחמוצת מנגן. "מכיוון שזו מערכת מסובכת, אתה חייב להוסיף כמה תיקונים ל-DFT, כמו הפרמטר U של האברד", הוא אומר. "אבל בחרנו את הערך שלו באופן אמפירי, וכשאתה עושה את זה, יש לך הרבה אי ודאות, והתוצאות יכולות להשתנות באופן דרמטי בהתאם לערך שתבחר."
ובכל זאת, ההדמיות הראשוניות של Bonfà העלו כי ניתן להניע את עמדות המיאון על ידי מגנטוסטריציה, תופעה שגורמת לחומר לשנות את צורתו וממדיו במהלך המגנטיזציה. כדי להוכיח זאת מעל לכל ספק, הוא חבר למעבדות MARVEL ב-EPFL ו-PSI של ניקולה מרזארי וג'ובאני פיצי.
"השתמשנו בשיטה מתקדמת שנקראת DFT+U+V, שהייתה חשובה מאוד כדי להפוך סימולציות מדויקות יותר", מסביר Iurii Timrov, מדען במעבדה לסימולציות חומרים ב-PSI ומחבר שותף של לימוד. ניתן להשתמש בשיטה זו עם פרמטרי U ו-V בין-אתר Hubbard באתר המחושבים מהעקרונות הראשונים במקום להיבחר באופן אמפירי, הודות לשימוש בתיאוריית הפרעות פונקציונליות בצפיפות עבור DFT+U+V שפותחה בתוך MARVEL והוטמעה ב- חבילת קוונטים ESPRESSO. "למרות שכבר הבנו שהמגנטוסטריקציה פועלת, המידע הנכון על אבני הבניין של הסימולציה היה חשוב מאוד, וזה הגיע מהעבודה של Iurii", מוסיף בונפה.
בסופו של דבר, הפתרון של החידה היה פשוט יחסית: מגנטוסטריקציה, שהיא משחק הגומלין בין דרגות חופש מגנטיות ואלסטיות בחומר, גורמת למעבר פאזה מגנטי ב-MnO ב-118K, שבו מתחלף אתר המיאון. מעל הטמפרטורה הזו, המיון הופך למבוטל סביב רשת של אתרים מקבילים – מה שמסביר את ההתנהגות החריגה שנצפתה בניסויים בטמפרטורות גבוהות.
המדענים מצפים שאותו הדבר עשוי להיות נכון גם לגבי תחמוצות מגנטיות רבות אחרות בעלות מבנה מלח סלעים. בעתיד, מסביר טימרוב, הקבוצה רוצה להמשיך ללמוד את אותו החומר גם כולל השפעות טמפרטורה, תוך שימוש בטכניקה מתקדמת נוספת שפותחה ב- MARVEL ונקראת קירוב הרמוני עקבי סטוכסטי. בנוסף, ובשיתוף עם קבוצתו של ג'ובאני פיצי במכון פול שרר, גישה זו תועמד לרשות הקהילה דרך ממשק AiiDAlab, כך שכל הנסיינים יוכלו להשתמש בה ללימודים משלהם.
המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע השוויצרית.
