Le schéma d'arrangement des atomes dans un cristal, appelé le réseau cristallin, peut avoir un effet énorme sur les propriétés des matériaux solides. Contrôler et exploiter ces propriétés est un défi qui promet des récompenses dans des applications telles que les nouveaux capteurs et les nouveaux dispositifs à semi-conducteurs. Une collaboration de recherche internationale, dont des chercheurs de l'Université d'Osaka, a rapporté l'induction d'un type intéressant d'ordre magnétique, appelé hélimagnétisme, dans un matériau d'oxyde de cobalt en élargissant sa structure en réseau. Leurs conclusions ont été publiées dans Physical Review Materials.

Le comportement magnétique résulte de l'ordre des moments magnétiques des nombreux atomes individuels dans un matériau. En hélimagnétisme, au lieu que les moments magnétiques soient alignés, comme dans les aimants permanents, produisant du ferromagnétisme - les moments s'organisent selon un schéma hélicoïdal. Ce comportement n'est généralement observé que dans des structures en treillis complexes où différents types d'interactions magnétiques sont en compétition les uns avec les autres, donc le rapport d'hélimagnétisme induit dans une structure d'oxyde de cobalt cubique simple, est hautement significatif.

"Nous avons montré un ordre de spin hélicoïdal émergent dans un matériau de type pérovskite cubique, ce que nous avons obtenu simplement en augmentant la taille du réseau, ", explique le premier auteur de l'étude, Hideaki Sakai. "Nous avons pu contrôler la taille de l'expansion du réseau en utilisant une technique à haute pression pour faire croître une série de monocristaux avec des compositions chimiques particulières. Changer la quantité d'ions différents dans nos matériaux nous a fourni un contrôle suffisant pour étudier les propriétés magnétiques."

Le remplacement systématique des ions strontium dans la structure par des ions baryum plus gros a provoqué une expansion continue du réseau jusqu'à ce que l'ordre magnétique ferromagnétique régulier présent à température ambiante soit perturbé, résultant en un hélimagnétisme. Ces résultats expérimentaux ont été corroborés avec succès par des calculs.

"Le fait que nous ayons pu reproduire largement nos résultats par des calculs de premiers principes vérifie que les interactions magnétiques dans les matériaux sont très sensibles à la constante de réseau, " Sakai dit. " Plus nous pouvons comprendre le comportement magnétique des matériaux cristallins, plus nous nous rapprochons de la traduction de leurs propriétés en fonctions utiles. Nous espérons que nos découvertes ouvriront la voie à de nouvelles applications de capteurs."

Le contrôle de l'ordre magnétique simplement en changeant la chimie du réseau, comme le démontre cette recherche, fournit une base pour étudier les propriétés de nombreux autres matériaux cristallins.