Toplu ferromanyetik yarı kristaller hızlı söndürme olmadan ortaya çıkıyor ve kararlı manyetik çalışmaların kilidini açıyor

Ferromanyetizma uzun süredir geniş bir yelpazedeki periyodik kristaller ve amorf malzemeler üzerinde çalışılmaktadır. Uzun menzilli yarı periyodik düzene ve 10 kat simetri gibi alışılmadık dönme simetrilerine sahip yarı kristallerde (QC’ler), ferromanyetizma, nihayet altın (Au) bazlı ikosahedral QC’lerde gerçekleştirildiği yakın zamana kadar anlaşılması zor kaldı. Bu keşifler, QC’leri periyodik kristallerin ve amorf malzemelerin ötesinde manyetizma için üçüncü bir platform olarak kuruyor.

Bugüne kadar, ferromanyetik QC’ler yalnızca hızlı söndürme yoluyla sentezlendi ve bu da onları, içsel manyetik özelliklerinin ayrıntılı araştırmaları için yarı kararlı ve yapısal olarak kusurlu iskeleler haline getirdi. Tavlama üzerine QC’ler, aynı yerel atom yapısını paylaşan ancak periyodik düzene sahip olan QC’lerle yakından ilişkili fazlar olan yaklaşık kristallere dönüşür.

Bu sınırlamalar nedeniyle, içsel manyetik özellikler (özellikle manyetik faz geçişine yakın bir malzemenin davranışını tanımlayan manyetik kritiklik) henüz QC’lerde tam olarak karakterize edilmemiştir. Bu soruların yanıtlanması, yüksek yapısal tutarlılığa ve termal kararlılığa sahip toplu ferromanyetik QC’ler gerektirir.

Makine öğrenimi alaşım seçimini yönlendiriyor

Yakın zamanda yapılan bir çalışmada, Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Bölümü’nden Profesör Ryuji Tamura ve Japonya’nın Tokyo Bilim Üniversitesi (TUS) Bilim ve Teknoloji Araştırma Enstitüsü’nden Dr. Farid Labib liderliğindeki bir araştırma ekibi, ilk kez hızlı söndürme olmadan toplu, tavlanabilir ferromanyetik ikosahedral QC’ler geliştirdi. Çalışmaları şu dergide yayınlandı: Amerikan Kimya Derneği Dergisi.

Prof. Tamura şöyle açıklıyor: “Bileşimsel olarak ayarlanmış çok bileşenli alaşımlama kullanarak ve makine öğrenimi tabanlı bir faz sınıflandırıcı tarafından yönlendirilerek, benzeri görülmemiş yapısal kaliteye sahip ferromanyetik ikosahedral QC’ler geliştirdik; bu, QC’lerde kritik davranış da dahil olmak üzere içsel manyetik özelliklerin ilk sistematik araştırmalarını mümkün kıldı.”

Ferromanyetik ikosahedral QC’ler için uygun bileşimleri belirlemek amacıyla araştırmacılar ilk olarak makine öğrenimi tabanlı bir faz sınıflandırıcı kullandılar. Algoritma, diğer mevcut veritabanlarıyla birlikte QC veritabanı HYPOD-X’i kullanarak, kararlı ferromanyetik ikosahedral QC’ler için aday kompozisyonları tahmin etti. Toplamda 675 adet beşli alaşım sistemi üretildi.

Bunlar arasında, R’nin gadolinyum (Gd), terbiyum (Tb) veya disprosiyumu (Dy) temsil ettiği altın-bakır-alüminyum-indiyum-R (Au-Cu-Al-In-R) sistemleri en umut verici adaylar olarak ortaya çıktı. Araştırmacılar daha sonra geleneksel ark eritme ve ardından kontrollü tavlama kullanarak üç toplu beşli ferromanyetik ikosahedral QC’yi (Au-Cu-Al-In-Gd, Au-Cu-Al-In-Tb ve Au-Cu-Al-In-Dy) sentezlediler.

Kararlı toplu yarı kristaller ortaya çıkıyor

Yeni sentezlenen ikosahedral QC’lerin 723 Kelvin’de uzun süreli tavlanması, bu QC’lerin yüksek sıcaklıklarda uzun süreli tavlama sırasında stabil kaldıklarına dair doğrudan kanıt sağladı. Sonuç olarak, X-ışını kırınım çalışmaları, hızlı söndürme yoluyla üretilen daha önce bildirilen ferromanyetik QC’lerle karşılaştırıldığında, yarı periyodik düzende önemli bir gelişme olduğunu ortaya çıkardı.

Manyetik ve spesifik ısı değerlendirmeleri, kurucu R elementine (yani Gd, Tb ve Dy) bağlı olarak 9,7-28,3 Kelvin sıcaklık aralığında net toplu uzun menzilli ferromanyetik düzen gösterdi ve bu yeni keşfedilen QC’lerde içsel ferromanyetik düzenin açık bir kanıtını sağladı.

Spin anizotropisi davranışı böler

İlginç bir şekilde, aynı yarı periyodik kafesi paylaşmalarına rağmen, üç bileşik, R elementinin tek iyon manyetik anizotropisine bağlı olarak iki belirgin tipte manyetik kritik davranış sergiledi. Spesifik olarak, Tb ve Dy bazlı ikosahedral QC’ler, ortalama alan değerlerine yakın kritik parametreler gösterdi; bu, sonsuz uzun menzilli etkileşimlerle karakterize edilen ortalama alan benzeri ferromanyetizmayı gösterir. Buna karşılık, Gd tabanlı ikosahedral QC’ler, ortalama alan davranışından daha kısa menzilli etkileşimlere doğru açık bir sapma gösterdi.

Böyle bir ayrım, yeni sentezlenen bu kalite kontrollerin olağanüstü yapısal tutarlılığı sayesinde mümkün olmuştur. Ekip, davranıştaki bu farklılığı, manyetik momentlerin hareketlerinde daha az kısıtlandığı ve daha kolay dalgalanabildiği Gd sistemindeki daha güçlü dönüş dalgalanmalarına bağladı. Sonuçlar, Tb ve Dy bazlı sistemlerdeki güçlü manyetik anizotropinin, dönüş dalgalanmalarını bastırdığını ve ortalama alan modeline daha yakın davranışa yol açtığını göstermektedir.

Tamura, “Bu sonuçlar, QC’lerdeki manyetik kritikliğin yarı periyodik düzen ve dönüş simetrisinin birleşimi tarafından belirlendiğini gösteriyor” diyor. “Yarı periyodikliğin manyetik dalgalanmaları nasıl etkilediğini anlamak, sonuçta ayarlanabilir manyetik yanıtlara sahip malzemelerin tasarlanmasını mümkün kılabilir ve potansiyel olarak gelecekteki algılama, enerji dönüşümü ve bilgi işleme teknolojilerinden faydalanabilir.”

Manyetik malzemeler için bir platform

Genel olarak bu çalışma, yarı periyodik düzen ve spin simetrisinin birlikte manyetik faz geçişlerini nasıl etkilediğini ortaya çıkararak, QC’lerin manyetik kritikliğine ilişkin önemli yeni bilgiler sağlar.

Daha geniş anlamda, bu çalışma ferromanyetik QC’leri hızla söndürülmüş yarı kararlı fazlardan sentezlenebilen, tavlanabilen ve sistematik olarak araştırılabilen yeni bir toplu manyetik malzeme sınıfına dönüştürüyor. Yüksek kaliteli toplu ferromanyetik QC’lerin mevcudiyeti, bunların kendine özgü fiziksel özelliklerini keşfetmenin kapısını açar ve gelecekteki manyetik ve kuantum fonksiyonel malzemeler için yeni bir malzeme platformu oluşturur.