Detailní výzkum otevřel cestu k novým materiálovým vlastnostem

21. března 2019

Mezinárodní tým vědců z Výzkumného centra Jülich a Technické univerzity v Mnichově pod vedením Dr. Petra Čermáka (nyní vědecký pracovník MFF UK) vnesl nové světlo do problematiky magnetoelastických materiálových vlastností. Detailním rozborem neelastického rozptylu neutronů na monokrystalu vzácnozeminného kovu CeAuAl3 ukázali, že elektronofononová interakce může vést ke vzniku nových stavů v materiálu, i když je její velikost zanedbatelná a těžko měřitelná.

Experimentální team ve složení (zleva): Christian Franz, Petr Čermák, Astrid Schneidewind a Christian Pfleiderer

Příští rok tomu bude 120 let od doby, kdy německý fyzik Max Planck položil základy kvantové fyziky – souboru teorií, které nás dnes provázejí každodenním životem. Jeho práce byla v té době tak revoluční, že bylo třeba celé nové generace vědců, aby ji komplexně popsali a vyřešili. Jedním z nich byl i nobelista Max Born, který roku 1927 spolu s kolegou Robertem Oppenheimerem navrhl důležité zjednodušení, že je možné při studiu elektronů v látce zanedbat pohyb atomových jader, díky jejich řádově jiným hmotnostem a rychlostem. Tento postulát, dnes známý jako adiabatická, či Born-Oppenheimerova aproximace, řádově zjednodušuje řešení kvantového chování komplexních systémů a je na něm postavena valná většina moderní fyziky pevných látek.

Případy, kdy Born-Oppenheimerova aproximace neplatí, nazýváme magnetoelastické jevy. Tyto stavy jsou často zkoumány v magneticky uspořádaných materiálech, jako jsou (anti-)feromagnetika. Výzkumný tým se ale zaměřil na studium látek před jejich uspořádáním, ve kterém se nachází za vyšších teplot. „Interakce mezi kmity jader atomů a excitacemi krystalového pole elektronů jsou známé skoro 40 let. Vždy se ale mělo za to, že se jedná o vzácné případy několika vybraných sloučenin. Náš výzkum ukazuje, že propojení mezi pohybem elektronů v látce a zhruba tisíckrát těžších atomových jader je mnohem běžnější jev, který pouze nebyl detekován kvůli použitým metodám,“ říká Petr Čermák, výzkumný pracovník Katedry fyziky kondenzovaných látek na Matfyzu, která je jedním z předních světových pracovišť věnujících se magnetoelastickým vlastnostem. Dříve působil 5 let na neutronovém reaktoru u Mnichova, kde také s kolegy naměřil publikovaná data.

Možná největším oříškem bylo pro vědce teoretické vyhodnocení naměřených dat. „Použili jsme teorie, které byly publikovány dříve, než jsem se narodil, a doposud nebyly nikým experimentálně ověřeny. Podařilo se nám kontaktovat profesora Thalmeiera, který je již v důchodu, ale stále ještě působí v Institutu Maxe Plancka v Drážďanech. On je autorem několika původních teorií a pomohl nám s pochopením tehdejšího názvosloví a konvencí,“ dodává Čermák. Hlavním důvodem, proč toto chování nebylo objeveno dříve, je použitá technika měření. Excitace krystalového pole se obvykle měří pomocí neutronového rozptylu na rozpráškovaném vzorku. Díky tomu je pak měření rychlé a hotové za zhruba jeden den. Bohužel se tím ztratí informace o detailní struktuře monokrystalu. Zkoumaná sloučenina CeAuAl3 již byla touto technikou v minulosti zkoumána a výzkum žádné nečekané vlastnosti neprokázal. V našem případě použil výzkumný česko-německý tým trojosý neutronový spektrometr a zkoumal kmity atomových jader a krystalového pole na jednom velkém kousku krystalu. Měření bylo sice časově náročnější, ale podařilo se tak jasně detekovat nové zatím nepozorované stavy v látce. Spolu s prací byla publikována i všechna původní naměřená data včetně skriptů k jejich vyhodnocení pod otevřenou licencí Creative Commons. Open data přístup je v experimentální fyzice stále ještě neobvyklý, umožňuje však nezávislé prozkoumání provedeného výzkumu a opětovné použití naměřených dat.

Publikované závěry mohou mít dalekosáhlé důsledky. Významnou oblastní, kde výzkum Čermáka a jeho spolupracovníků slibuje uplatnění se týká vzniku nových chytrých materiálů. Propojení kmitů mříže a elektronů může být využito v elektronických součástkách při zpracování dat. Další neméně důležitá oblast použití se týká objasnění vzniku supravodivosti při vysokých teplotách. Je známo, že magnetoelastické jevy mohou vést ke vzniku supravodivého kondenzátu. „Je fascinující vidět, jak na neutrony současně působí silná interakce jader atomů a elektromagnetická interakce okolních elektronů, které přitom navzájem interagují. Je to unikátní částice,“ uzavírá Čermák.

Výzkum byl publikován v americkém mezioborovém časopise PNAS.

 

Tisková zpráva