Bilim insanları, sıvı kristal benzeri manyetik duruma sahip nadir toprak bileşiği buldu

Rice Üniversitesi fizikçileri, YbMnBi₂ bileşiğinin ısıtılarak geleneksel manyetik düzenini kaybetmesinin ardından yönlü spin dalgalanmalarını koruduğunu tespit etti. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki Yüksek Akı İzotop Reaktörü ve Spallasyon Nötron Kaynağı’nda yapılan nötron saçılımı deneyleri, bu davranış ile malzemenin güçlü anormal Hall etkisi arasındaki doğrudan bağlantıyı ortaya koydu.

Bulgular, daha önce eğimli manyetik spinlere dayandırılan Weyl durumu hipotezini çürüttü. Manganez spinlerinin doğrusal kaldığını gösteren ölçümler, anormal elektriksel tepkinin manganez ile iterbiyum arasındaki etkileşimden kaynaklandığını kanıtladı.

MANYETİK SIVI KRİSTAL 

Çoğu manyetik malzeme, manyetik düzenlenme sıcaklığının üzerine çıkarıldığında organize spin yapısını tamamen kaybediyor. YbMnBi₂’de ise uzun menzilli manyetik düzen ortadan kalkmasına rağmen manganez spinleri tercih edilen yönlerde dalgalanmayı sürdürüyor. Rice Üniversitesi fizikçisi Prof. Pengcheng Dai ve ekibi, bu davranışı “manyetik sıvı kristal” olarak tanımlıyor.

Durum, moleküllerin serbestçe hareket ederken yönsel hizalanmalarını koruduğu sıvı kristallere benziyor. Çalışmanın ortak ilk yazarı Yaofeng Xie, önceki teorilerin eğik spinler gerektirdiğini, nötron verilerinin ise spinlerin esasen doğrusal ve düzenli olduğunu açık biçimde gösterdiğini belirtti.

İTERBİYUMUN BELİRLEYİCİ ROLÜ 

Ekip, iterbiyumun bu manyetik durumdaki rolünü doğrulamak için iterbiyum yerine manyetik olmayan kalsiyum içeren CaMnBi₂ bileşiğiyle karşılaştırmalı testler yaptı. Kalsiyum bazlı malzemede yönlü spin dalgalanmalarının tamamen ortadan kalkması, iterbiyumun sistemdeki belirleyici işlevini kanıtladı.

Sonraki ölçümler, kendi manyetik momentlerine sahip bazı iterbiyum iyonlarının dışarıdan uygulanan manyetik alana tepki verdiğini gösterdi. Bu iyonların manganez spinleriyle doğrudan etkileşime girmesi, malzeme içindeki elektron hareketlerini biçimlendiriyor.

ELEKTRON AKIŞINDA SAPMA 

Harici bir manyetik alan olmadan yanal voltaj oluşması anlamına gelen anormal Hall etkisi, YbMnBi₂’de çok güçlü biçimde gözlemleniyor. Yeni modele göre iterbiyum momentleri ile yönsel olarak dalgalanan manganez spinleri birlikte hareket ederek uygulanan manyetik alan altında ilerleyen elektronları saptırıyor.

Prof. Pengcheng Dai, iterbiyum momentleri ve manganez spin dalgalanmalarının eşzamanlı hareketinin elektron akışını değiştirerek güçlü Hall tepkisini oluşturduğunu vurguladı. Keşif, manyetik düzensizliğin her zaman tam bir rastgelelik anlamına gelmediğini gösterirken anormal Hall etkilerini incelemek için yeni bir yöntem sunuyor.