В лабораториях Токийского университета науки и Университета Тохоку учёные обнаружили простой, но надёжный ориентир для предсказания магнитных свойств сложных сплавов. Размер повторяющейся структурной ячейки кристалла оказался точнее, чем привычная концентрация электронов, разделяет разные типы магнетизма в материалах, родственных квазикристаллам.
Исследователи изучили кристаллы-аппроксиманты типа Цзай — структуры с вложенными атомными кластерами, которые повторяют особенности настоящих квазикристаллов. В золотосодержащих соединениях с алюминием или галлием и редкоземельными элементами (тербий, диспрозий, гольмий) магнитное поведение зависело от параметра решётки — расстояния между повторяющимися атомными узлами.
При значении больше 14,72 ангстрема возникало «вихревое» антиферромагнитное состояние: магнитные моменты атомов выстраивались в упорядоченную, но противоположно направленную конфигурацию. В узком интервале 14,62–14,72 ангстрема появлялся вихревой ферромагнетизм с общей намагниченностью. Ниже этого порога материал переходил в состояние спинового стекла — хаотичное замораживание моментов без дальнего порядка.
Раньше учёные ориентировались главным образом на число валентных электронов на атом. Этот показатель работал нестабильно при смене химического состава. Новый структурный критерий дал единую фазовую диаграмму, которая теперь служит практической картой для поиска и создания материалов с заданными магнитными свойствами.
Открытие важно не только для фундаментальной физики. Оно открывает путь к целенаправленному дизайну квантовых материалов, где необычные магнитные состояния могут стать основой будущих устройств — от сенсоров до элементов квантовых вычислений. Малейшее изменение размеров атомной «комнаты» радикально меняет поведение целого «коллектива» атомов.
Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society и уже рассматриваются как надёжный ориентир для систематического поиска новых магнитных квазикристаллов и их аппроксимантов.
