1984 年，對(duì)鋁錳合金的例行檢查發(fā)現(xiàn)了一種以前被認(rèn)為在晶體學(xué)上不可能的奇怪異常——五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。這是“準(zhǔn)晶體”(QC)的發(fā)現(xiàn)(后來(lái)獲得諾貝爾獎(jiǎng))，這是一種奇怪的固體，顯示出類似于晶體的長(zhǎng)程排序，但缺乏周期性。相反，該順序是“準(zhǔn)周期的”，這導(dǎo)致了晶體中不存在的一些奇異的對(duì)稱性。從那時(shí)起，QC 一直是科學(xué)界備受關(guān)注的主題。
但是它們的潛在應(yīng)用仍然不確定，因?yàn)闆]有觀察到表明它們的長(zhǎng)程準(zhǔn)周期序的物理性質(zhì)，例如長(zhǎng)程磁序。直到現(xiàn)在，就是這樣。
在發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上的一項(xiàng)新研究中，由東京理科大學(xué) (TUS) 的 Ryuji Tamura 教授、東北大學(xué)的 Taku J. Sato 教授和 Maxim Avdeev 教授領(lǐng)導(dǎo)的全球科學(xué)家團(tuán)隊(duì)澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織和澳大利亞悉尼大學(xué)的研究人員報(bào)告了對(duì)二十面體準(zhǔn)晶體(iQCs 或具有 5 重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的 QCs)中長(zhǎng)程鐵磁有序的首次觀察。TUS田村實(shí)驗(yàn)室的成員Asuka Ishikawa女士和Shintaro Suzuki博士也為該項(xiàng)目做出了寶貴的貢獻(xiàn)。
“這種鐵磁iQC 的成功合成是我們實(shí)驗(yàn)室 10 多年研究的結(jié)晶，”田村教授說，“沒有人知道它們將進(jìn)一步揭示什么樣的特殊行為，或者如何利用它們來(lái)促進(jìn)技術(shù)，但現(xiàn)在我們終于邁出了第一步。闡明這些鐵磁 QC 的特性將極大地促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展。”
有四種主要類型的磁序：鐵磁性、反鐵磁性、順磁性和抗磁性。近似晶體 (APs) 中反鐵磁和鐵磁躍遷的發(fā)現(xiàn)——與相關(guān) QC 結(jié)構(gòu)有些相似的晶體，可以使用常規(guī)技術(shù)進(jìn)行研究——激發(fā)了研究小組尋找磁性有序的iQC。為了進(jìn)行研究，該團(tuán)隊(duì)制備了金 (Au)、鎵 (Ga) 和釓 (Gd) 以及金、鎵和鋱 (Tb) 的合金。使用傳統(tǒng)的 X 射線衍射，他們觀察到 Au-Ga-Gd 和 Au-Ga-Tb 的二十面體準(zhǔn)晶相的形成。
然后，他們使用磁化率和比熱測(cè)量研究了兩個(gè)iQC的特性。他們發(fā)現(xiàn)這兩種合金在 23 K (GdiQC) 和 16 K (TbiQC) 下都表現(xiàn)出鐵磁相變，這是長(zhǎng)程磁序的特征。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些結(jié)果，他們使用 ECHIDNA(澳大利亞 ANSTO)和 ISSP-GPTAS( JRR-3)進(jìn)行了中子衍射實(shí)驗(yàn)，并觀察了iQC 在不同溫度下的中子衍射圖。他們觀察到低于各自轉(zhuǎn)變溫度的顯著布拉格峰，證實(shí)了iQC的鐵磁性質(zhì)。
迄今為止，合成磁性iQC 的嘗試都以“旋轉(zhuǎn)玻璃狀凍結(jié)”告終，其特征是無(wú)序的磁性狀態(tài)。在此背景下，本研究中發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)程鐵磁有序的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料物理特性的范圍，并為定制磁性材料打開了大門。“鐵磁 QC 的晶體對(duì)稱性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)周期晶體，這使得它們可以用作超軟磁性材料，”田村教授說。
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