In de laboratoria van de Tokyo University of Science en de Universiteit van Tohoku hebben wetenschappers een eenvoudig maar betrouwbaar aanknopingspunt ontdekt om de magnetische eigenschappen van complexe legeringen te voorspellen. De grootte van de zich herhalende structurele eenheidscel van het kristal blijkt nauwkeuriger dan de gebruikelijke elektronenconcentratie bij het onderscheiden van verschillende soorten magnetisme in materialen die verwant zijn aan quasicristallen.
De onderzoekers bestudeerden kristallen van het Tsai-type approximant — structuren met ingebedde atomaire clusters die de kenmerken van echte quasicristallen nabootsen. In goudhoudende verbindingen met aluminium of gallium en zeldzame-aardelementen (terbium, dysprosium, holmium) hing het magnetische gedrag af van de roosterparameter — de afstand tussen zich herhalende atomaire knopen.
Bij een waarde groter dan 14,72 ångström ontstond een ‘wervelend’ antiferromagnetische toestand: de magnetische momenten van de atomen rangschikten zich in een geordende maar tegengesteld gerichte configuratie. In het smalle interval van 14,62–14,72 ångström verscheen wervelend ferromagnetisme met een gemeenschappelijke magnetisatie. Onder deze drempel ging het materiaal over in een spinglastoestand — een chaotische bevriezing van de momenten zonder ordening op lange afstand.
Voorheen richtten wetenschappers zich hoofdzakelijk op het aantal valentie-elektronen per atoom. Deze maatstaf werkte onstabiel bij verandering van de chemische samenstelling. Het nieuwe structurele criterium leverde een eenduidig fasediagram op, dat nu dient als praktische kaart voor het zoeken naar en creëren van materialen met gewenste magnetische eigenschappen.
De ontdekking is niet alleen belangrijk voor de fundamentele natuurkunde. Zij opent de weg naar het gericht ontwerpen van kwantummaterialen, waarin ongewone magnetische toestanden de basis kunnen vormen van toekomstige apparaten — van sensoren tot elementen voor kwantumberekeningen. De geringste verandering in de afmetingen van de atomaire ‘kamer’ verandert het gedrag van een heel ‘collectief’ van atomen radicaal.
De resultaten zijn gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society en worden al beschouwd als een betrouwbaar aanknopingspunt voor het systematisch zoeken naar nieuwe magnetische quasicristallen en hun approximanten.
