Kristallsymmetrie ist ein grundlegendes Konzept in der Materialwissenschaft und spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Normalerweise ist ein Kristall ein Festkörper, der aus Struktureinheiten besteht, die sich im dreidimensionalen Raum periodisch wiederholen und ein System bilden, das sowohl Translations- als auch Rotationssymmetrie aufweist.
Wenn bestimmte Formen der Symmetrie innerhalb des Systems durch spontane Prozesse oder äußere Einflüsse gestört werden, treten häufig neue physikalische Phänomene und chemische Eigenschaften auf. Umfangreiche Bemühungen zur Gestaltung und Regulierung atomarer Konfigurationen in Materialien haben sich jedoch in erster Linie auf die Manipulation geometrischer Formen, chemischer Dotierung und lokaler Umgebungen konzentriert; neue Arten symmetrischer Materialien werden selten gemeldet.
Um diese Lücke zu schließen, hat ein Forschungsteam bestehend aus Professor Lin Guo von der Beihang University, Professor Renchao Che von der Fudan University, Professor Lin Gu von der Tsinghua University und Professor Er-Jia Guo vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen ultrafeinen NiS-Nanostab mit einer neuartigen Symmetrieverteilung vorgestellt. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Nationale Wissenschaftsüberprüfung.
Die atomare Anordnung dieses Nanostabs weist sowohl radiale Rotationssymmetrie als auch axiale Translationssymmetrie auf. Dies ist der erste Nachweis einer richtungsbezogenen Symmetrieseparierung innerhalb einer einzelnen Nanostruktur, der über die traditionellen Beschreibungen von Materialstrukturen in bekannten dreidimensionalen Raumgruppen und Punktgruppen hinausgeht und die herkömmlichen Definitionen der Kristallographie übertrifft.
Aufgrund seiner einzigartigen Kristallstruktur weist der Nanostab gleichzeitig kombinierte magnetische Eigenschaften von gestreiften und wirbelförmigen magnetischen Domänen in verschiedene Richtungen auf. Eine detaillierte Strukturcharakterisierung ergab, dass das Querschnittsprofil der NiS-Nanostäbe deutlich regelmäßige Fünfring-Atommuster anstelle traditioneller periodischer Gitter aufweist. Radial weisen NiS-Nanostäbe Rotationssymmetrie auf, ihnen fehlt jedoch die Translationssymmetrie.
Im Gegensatz dazu zeigen die NiS-Nanostäbe bei seitlicher Betrachtung eine regelmäßige Translationsperiodizität. Das Vorhandensein ausschließlich horizontaler Streifen und einer ungeordneten Atomstruktur auf atomarer Ebene weist jedoch darauf hin, dass die radiale Projektionsperiodizität der Atome ungeordnet und die radiale Symmetrie gestört ist.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass NiS-Nanostäbe erst dann eine traditionelle kristallähnliche Rotations- und Translationssymmetrie aufweisen, wenn sie einen bestimmten Durchmesser erreichen.
Darüber hinaus verwendete das Forschungsteam Lorentz-Mikroskopie, um die magnetische Verteilung von NiS-Nanostäben im Nanomaßstab zu messen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass NiS-Nanostäbe axial antiparallele gestreifte magnetische Domänen und radial angeordnete Wirbeldomänen besitzen, was darauf hindeutet, dass die Elektronenspinanordnung der inhärenten Atomanordnung folgt.
Entlang der Längsachse erzeugt die weiträumig geordnete Atomanordnung ausgerichtete Spins und magnetische Momente, die Domänenwände bilden. In radialer Richtung schränkt die kreisförmige Anordnung der Atome die Ausrichtungskonsistenz der Spins ein, wodurch die magnetischen Momente eine geschlossene Schleife bilden.
Kurz gesagt, die beobachtete Symmetrietrennung in NiS-Nanostäben demonstriert die Integration mehrerer magnetischer Ordnungen, ein Phänomen, das bisher bei herkömmlichen Kristallen, Quasikristallen und amorphen Materialien nicht beobachtet wurde. Diese durch die einzigartige Kristallsymmetrie hervorgerufene intrinsische magnetische Konfiguration bietet neue Materialien und Designkonzepte für die Entdeckung neuer magnetischer Kopplungen und die Förderung hochdichter nichtflüchtiger magnetischer Aufzeichnungsmedien.
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Jianxin Kang et al, NiS ultrafeine Nanostäbe mit Translations- und Rotationssymmetrie, Nationale Wissenschaftsüberprüfung (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae175