In den Labors der Tokyo University of Science und der Universität Tohoku entdeckten Wissenschaftler einen einfachen, aber zuverlässigen Anhaltspunkt zur Vorhersage der magnetischen Eigenschaften komplexer Legierungen. Die Größe der sich wiederholenden strukturellen Zelle des Kristalls erwies sich als präziser als die gewohnte Elektronenkonzentration und unterscheidet verschiedene Arten des Magnetismus in Materialien, die mit Quasikristallen verwandt sind.
Die Forscher untersuchten Kristalle vom Approximant-Typ Zai – Strukturen mit verschachtelten Atomclustern, die die Besonderheiten echter Quasikristalle nachbilden. In goldhaltigen Verbindungen mit Aluminium oder Gallium und Seltenerdelementen (Terbium, Dysprosium, Holmium) hing das magnetische Verhalten vom Gitterparameter ab – dem Abstand zwischen den sich wiederholenden Atomknoten.
Bei einem Wert von mehr als 14,72 Ångström entstand ein „wirbelartiger“ antiferromagnetischer Zustand: Die magnetischen Momente der Atome ordneten sich in einer geordneten, aber entgegengesetzt ausgerichteten Konfiguration an. In einem engen Intervall von 14,62–14,72 Ångström trat ein wirbelartiger Ferromagnetismus mit einer gemeinsamen Magnetisierung auf. Unterhalb dieser Schwelle ging das Material in einen Zustand des Spinglases über – ein chaotisches Einfrieren der Momente ohne Fernordnung.
Früher orientierten sich die Wissenschaftler hauptsächlich an der Zahl der Valenzelektronen pro Atom. Dieser Indikator funktionierte bei einer Änderung der chemischen Zusammensetzung instabil. Das neue strukturelle Kriterium lieferte ein einheitliches Phasendiagramm, das nun als praktische Karte für die Suche nach und die Herstellung von Materialien mit vorgegebenen magnetischen Eigenschaften dient.
Die Entdeckung ist nicht nur für die Grundlagenphysik wichtig. Sie eröffnet den Weg zu einem gezielten Design von Quantenmaterialien, in denen ungewöhnliche magnetische Zustände die Grundlage künftiger Geräte werden können – von Sensoren bis hin zu Elementen der Quantenberechnung. Die geringste Änderung der Größe der atomaren „Kammer“ verändert radikal das Verhalten des gesamten „Kollektivs“ der Atome.
Die Ergebnisse wurden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht und gelten bereits als zuverlässiger Anhaltspunkt für die systematische Suche nach neuen magnetischen Quasikristallen und ihren Approximanten.
