Forskning från University of St Andrews har satt en ny standard för precisionen med vilken forskare kan utforska grundläggande fysik i kvantmaterial. Arbetet har implikationer som sträcker sig från materialvetenskap till avancerad databehandling, samt bekräftar en nästan 100 år gammal förutsägelse.
Forskarna undersökte magnetoelastisk koppling, vilket är förändringen i storlek eller form hos ett material när det utsätts för ett magnetfält. Det är vanligtvis en liten effekt, men en som har tekniska konsekvenser.
Ett team från School of Physics and Astronomy vid University of St Andrews har nu upptäckt att denna effekt är anmärkningsvärt stor i ett fall där man inte skulle ha förväntat sig det – i en övergångsmetalloxid. Oxider är en kemisk förening som innehåller minst ett syreatom och ett annat grundämne i sin kemiska formel. Högtemperatur-superledare är ett av de mest framträdande exemplen på en övergångsmetalloxid.
I sin studie, som publiceras idag i Nature Physics, visar teamet – i samarbete med CNR-SPIN, Italien, och universitetet i Bonn – hur subtila förändringar i atomernas magnetiska inriktning endast har en subtil inverkan på de elektroniska tillstånden, men en dramatisk inverkan på strukturella egenskaper, vilket gör att materialet sträcker sig eller drar ihop sig. Forskarna använde ultralåg temperatur scanning tunneling microscopy (STM) för att upptäcka dessa förändringar.
Arbetet krävde en extremt tyst miljö, eftersom ljudvågor kan få instrumentet att röra sig och störa mätningarna. Studien utfördes med hjälp av specialtillverkade mikroskop i laboratorier med extremt låga vibrationer vid University of St Andrews. Instrumenten gör det möjligt att upptäcka förändringar så små som några hundra femtometer – en längdenhet som motsvarar ungefär en kvadrilliondels meter.
Teamet fann att förändringarna direkt bekräftade förutsägelserna från Bethe-Slater-kurvan, ett grundläggande koncept som först föreslogs på 1930-talet för att beskriva samspelet mellan magnetisk ordning och atomavstånd. Medan det ursprungligen utformades för att beskriva magnetismen i elementära metaller, visade författarna att det även är giltigt för komplexa oxidmaterial.
Anmärkningsvärt nog var de förändringar som de kunde mäta mycket större än vad som förutsagts av nuvarande teoretiska modeller. Samspelet mellan magnetism och kristallstrukturen kan också vara viktigt i andra övergångsmetalloxider.
Huvudförfattaren Dr Carolina Marques från University of St Andrews säger: ”Vi upptäckte att vi kunde kontrollera magnetiseringen av ytan separat från materialet i sig, vilket gjorde det möjligt för oss att direkt mäta subtila förändringar i de elektroniska tillstånden.
Dessa förändringar är kopplade till om de magnetiska momenten i ytan och underytan är parallella eller antiparallella, vilket gör det möjligt för oss att upptäcka små strukturella förändringar med sub-picometerupplösning. En picometer är ungefär hundra gånger mindre än radien hos en atom.
Våra resultat kan också leda till innovativa metoder för att avläsa magnetiska tillstånd rent elektroniskt eller strukturellt, vilket potentiellt kan revolutionera datalagringstekniken.”
Professor Peter Wahl säger: ”Vår studie bekräftar inte bara teoretiska förutsägelser om det kvalitativa beteendet från för nästan ett sekel sedan, utan öppnar också nya vägar för att förstå det komplexa samspelet mellan strukturella, elektroniska och magnetiska egenskaper i kvantmaterial. Den belyser vikten av korrelationer mellan elektroner i detta samspel.
Korrelationer och deras inverkan på hur atomerna ordnar sig i ett material ligger till grund för fenomen som högtemperatur-superledning, och en bättre förståelse av dessa kan bana väg för ökad stabilitet i superledningen och göra materialen mer användbara för nya och grönare tekniker.”
Mer information: Carolina A. Marques et al, Emergent exchange-driven giant magnetoelastic coupling in a correlated itinerant ferromagnet, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02893-x
