Forskare vid Florida State University har skapat ett nytt kristallint material som uppvisar komplexa virvlande magnetiska beteenden som inte finns i dess moderföreningar. Genom att blanda två strukturellt ojämna men kemiskt lika material inducerade teamet atomära spinn att bilda skyrmion-liknande texturer. Detta genombrott, beskrivet i Journal of the American Chemical Society, kan främja datalagring och kvantteknologier.
Forskare vid Florida State University utvecklade ett nytt kristallint material genom att kombinera två föreningar: en bestående av mangan, kobolt och germanium, och en annan av mangan, kobolt och arsenik. Dessa grundämnen är angränsande i det periodiska systemet, vilket gör föreningarna kemiskt lika men strukturellt olika på grund av olika kristallsymmetrier. Denna ojämnhet leder till strukturell frustration, där atomära arrangemang tävlar och förhindrar ett enkelt stabilt mönster. Den resulterande hybrida kristallen visar atomära spinn som organiseras i intrikata, upprepade virvelmönster kända som skyrmion-liknande spintexturer, istället för de vanliga linjära inriktningarna i konventionella magneter. «Vi tänkte att denna strukturella frustration kanske skulle översättas till magnetisk frustration», förklarade medförfattaren Michael Shatruk, professor vid FSU:s avdelning för kemi och biokemi. «Om strukturerna konkurrerar kanske det får spinnen att vrida sig». För att bekräfta den magnetiska strukturen använde forskarna enkelkristallneutrondiffraktion på TOPAZ-instrumentet vid Oak Ridge National Laboratorys Spallation Neutron Source. Denna teknik avslöjade de cykliska spinarrangemangen. Resultaten publicerades i Journal of the American Chemical Society 2025 (volym 147, nummer 47, sida 43550). Dessa skyrmion-liknande texturer erbjuder fördelar för teknik, inklusive tätare datalagring på hårddiskar, lägre energianvändning i elektronik och mer pålitliga kvantdatorsystem som motstår fel. «Med enkelkristallneutrondiffraktionsdata från TOPAZ och nya datareducerings- och maskininlärningsverktyg från vårt LDRD-projekt kan vi nu lösa mycket komplexa magnetiska strukturer med mycket större säkerhet», noterade Xiaoping Wang, neutrondiffraktionsforskare vid Oak Ridge. Till skillnad från tidigare metoder som screenade befintliga material designades denna kristall medvetet med kemiska principer för att förutsäga spinbeteenden. «Det är kemiskt tänkande, eftersom vi tänker på hur balansen mellan dessa strukturer påverkar dem och relationen mellan dem, och hur det kan översättas till relationen mellan atomära spinn», sade Shatruk. Medförfattaren Ian Campbell, doktorand, tillade: «Idén är att kunna förutsäga var dessa komplexa spintexturer uppstår». Studien involverade samarbetspartners från European Synchrotron Radiation Facility, University of Science and Technology Beijing, RWTH Aachen University och Oak Ridge, med stöd från National Science Foundation.