Die ersten Materialwissenschaftler waren möglicherweise frühe Menschen, die durch Versuch und Irrtum die ersten „bahnbrechenden“ Technologien entdeckten. Sie fanden heraus, dass die besten Pfeilspitzen und andere Werkzeuge aus bestimmten Arten natürlicher Strukturmaterialien hergestellt werden konnten, zu denen damals Steine und Tierknochen gehörten.
Heutzutage sind viele der vielversprechendsten neuen Materialien „funktionalisiert“, das heißt, sie werden oft sorgfältig und methodisch auf atomarer Ebene entworfen und synthetisiert.
Am Oak Ridge National Laboratory hat eine Gruppe von Wissenschaftlern Neutronenstreutechniken eingesetzt, um ein relativ neues Funktionsmaterial namens Weyl-Halbmetall zu untersuchen. Dieses kristalline Material enthält Quasiteilchen mit niedriger Energie, also Eigenschaften auf atomarer Ebene, die wie Teilchen behandelt werden. Diese Weyl-Fermionen bewegen sich sehr schnell in einem Material und können bei Raumtemperatur elektrische Ladung transportieren. Wissenschaftler glauben, dass Weyl-Halbmetalle, wenn sie in zukünftigen elektronischen Geräten eingesetzt werden, einen effizienteren Stromfluss ermöglichen und energieeffizientere Computer und andere elektronische Geräte ermöglichen könnten.
Das ORNL-Team studiert ein magnetisches Weyl-Halbmetall auf Kobaltbasis mit einer besonderen Kristallstruktur – einem Kagome-Gitter –, das sich unter bestimmten Bedingungen spontan in einen Magneten verwandeln kann. Bei solchen ferromagnetischen Materialien sind die Atomspins typischerweise in die gleiche Richtung ausgerichtet, eine Eigenschaft, die als magnetische Symmetrie bekannt ist.
„Unsere Experimente haben gezeigt, dass sich die magnetische Symmetrie ändert oder aufbricht, wenn dieses Halbmetall den Punkt erreicht, an dem es sich in einen Magneten verwandelt. Dies geht mit gleichzeitigen Änderungen der Atompositionen in lokalisierten Bereichen im Vergleich zur allgemeinen, durchschnittlichen Symmetrie des Materials einher“, sagte Qiang Zhang, Neutronenforscher an der Spallation Neutron Source (SNS) des ORNL und korrespondierender Autor, der die Studie initiiert hat.
„Die Entdeckung der Existenz einer lokalen Symmetriebrechung in einem Weyl-Halbmetall ist entscheidend für das Verständnis der magnetischen und Quanteneigenschaften dieses und anderer Funktionsmaterialien.“
Um die strukturelle Komplexität der Kristallstruktur des Halbmetalls zu bestimmen, wurden Experimente an den Kristallproben an mehreren Neutroneninstrumenten am ORNL durchgeführt. Am SNS wurde das HYSPEC-Hybridspektrometer verwendet, um die magnetische Ordnung in den Kristallen zu messen, und das POWGEN-Pulverdiffraktometer wurde verwendet, um die Anordnung der Atome und die Auswirkung der Temperatur auf die Probe zu bestimmen. Mit dem dreiachsigen polarisierten Neutronenspektrometer PTAX am Hochfluss-Isotopenreaktor (HFIR) des ORNL konnte das Team die Spinanordnung der Proben genauer beobachten.
„Die Neutronenstreuexperimente könnten uns zusammen mit unserer Datenmodellierungstechnik eine Vorstellung davon geben, wie Atome angeordnet sind und wie sie miteinander interagieren“, sagte Yuanpeng Zhang vom ORNL, korrespondierender Autor und Spezialist für die Entwicklung von Softwaretools zur Reduktion und Analyse von Neutronenstreudaten.
„Unsere berichteten Ergebnisse zum Weyl-Halbmetallsystem und viele andere Berichte über Strukturstudien mit Neutronen haben bestätigt, dass die lokale Symmetriebrechung eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Eigenschaften einer breiten Palette von Funktionsmaterialien spielt, beispielsweise in Anwendungen zur Energiespeicherung und in magnetischen Systemen.“
Die Wissenschaftler erwarten, dass die künftige Forschung an diesen Materialien zu Methoden führen wird, mit denen sich die lokalisierte magnetische Symmetrie in Weyl-Halbmetallen steuern lässt, um die gewünschten physikalischen Eigenschaften des Materials für den Einsatz in technisch hergestellten magnetischen Geräten zu verändern.
Zu dem Team gehörten Forscher der Abteilung für Neutronenstreuung, der Abteilung für Materialwissenschaft und -technologie und des Shull Wollan Center am ORNL. Das Ergebnis ist ein weiteres wichtiges Ergebnis einer von Qiang Zhang geleiteten Studie, die im Anschluss an eine vorheriger Bericht auf ungewöhnlichen Kopplungen zwischen Spins im Material.