Ilmuwan internasional menemukan bahwa magnetostriction secara signifikan mempengaruhi lokalisasi muon pada material tertentu, membalikkan asumsi sebelumnya dalam spektroskopi muon. Terobosan ini, yang dicapai melalui simulasi tingkat lanjut, menyoroti transisi fase magnetik dalam oksida mangan dan memiliki implikasi untuk mempelajari bahan serupa.
Spektroskopi muon berfungsi sebagai metode eksperimental penting untuk mengeksplorasi karakteristik magnetik suatu bahan. Teknik ini melibatkan penanaman muon terpolarisasi spin di dalam kisi kristal dan mengamati dampak lingkungan sekitar terhadap perilakunya. Ini beroperasi berdasarkan prinsip bahwa muon akan menetap di lokasi tertentu yang sebagian besar dipengaruhi oleh gaya elektrostatik, posisi yang dapat ditentukan melalui perhitungan struktur elektronik material.
Namun sebuah studi baru yang dipimpin oleh para ilmuwan di Italia, Swiss, Inggris, dan Jerman menemukan bahwa, setidaknya untuk beberapa material, hal tersebut bukanlah akhir dari cerita: situs muon dapat berubah karena efek yang diketahui namun sebelumnya diabaikan. , magnetostriksi.
Pietro Bonfà dari Universitas Parma, penulis utama penelitian yang baru saja dipublikasikan Surat Tinjauan Fisikmenjelaskan bahwa kelompoknya dan rekan-rekannya di Universitas Oxford (Inggris) telah menggunakan simulasi teori fungsi kepadatan (DFT) selama setidaknya satu dekade untuk menemukan situs muon.
“Kami memulai dengan kasus-kasus rumit, seperti europium oksida dan mangan oksida, dan dalam kedua kasus tersebut, kami tidak dapat menemukan cara yang masuk akal untuk menyelaraskan prediksi DFT dan eksperimen,” katanya. “Kami kemudian menguji sistem yang lebih sederhana dan kami mendapatkan banyak prediksi yang berhasil, namun kedua kasus tersebut benar-benar mengganggu kami. Senyawa ini seharusnya mudah tetapi ternyata menjadi sangat rumit dan kami tidak mengerti apa yang sedang terjadi. Oksida mangan adalah contoh kasus sistem antiferromagnetik, dan kami tidak dapat menjelaskan hasil spektroskopi muon untuk sistem tersebut, dan hal ini agak memalukan.”
Masalahnya, jelasnya, adalah kontradiksi antara harapan untuk menemukan muon dalam posisi simetri tinggi, dan kecenderungannya untuk membuat ikatan dengan atom oksigen. Urutan antiferromagnetik material mengurangi simetri, dan posisi yang dekat dengan atom oksigen menjadi tidak sesuai dengan eksperimen.
Tantangan dan Solusi dalam Simulasi DFT
Bonfà menduga bahwa penjelasan tersebut dapat dikaitkan dengan material yang mengalami transisi fase magnetik dan mulai mencoba mereproduksi fenomena tersebut dalam simulasi oksida mangan. “Karena ini sistem yang rumit, Anda harus menambahkan beberapa koreksi pada DFT, seperti parameter Hubbard U,” katanya. “Tetapi kami memilih nilainya secara empiris, dan ketika Anda melakukannya, Anda menghadapi banyak ketidakpastian, dan hasilnya dapat berubah secara dramatis tergantung pada nilai yang Anda pilih.”
Namun, simulasi awal Bonfà menunjukkan bahwa posisi muon dapat didorong oleh magnetostriksi, sebuah fenomena yang menyebabkan material berubah bentuk dan dimensinya selama magnetisasi. Untuk membuktikannya tanpa keraguan, ia bekerja sama dengan laboratorium MARVEL di EPFL dan PSI Nicola Marzari dan Giovanni Pizzi.
“Kami menggunakan metode canggih yang disebut DFT+U+V, yang sangat penting untuk membuat simulasi lebih akurat,” jelas Iurii Timrov, ilmuwan di Laboratorium Simulasi Material di PSI dan salah satu penulis makalah ini. belajar. Metode ini dapat digunakan dengan parameter Hubbard U di lokasi dan V antar lokasi yang dihitung berdasarkan prinsip pertama, bukan dipilih secara empiris, berkat penggunaan teori gangguan fungsi kepadatan untuk DFT+U+V yang dikembangkan di MARVEL dan diimplementasikan di Paket ESPRESSO kuantum. “Meskipun kami telah mengetahui bahwa magnetostriksi berperan, memiliki informasi yang benar tentang dasar-dasar simulasi sangatlah penting, dan itu berasal dari karya Iurii,” tambah Bonfà.
Pada akhirnya, solusi dari teka-teki ini relatif sederhana: magnetostriksi, yang merupakan interaksi antara derajat kebebasan magnetik dan elastis dalam material, menyebabkan transisi fase magnetik pada MnO pada 118K, yang menyebabkan situs muon berpindah. Di atas suhu tersebut, muon menjadi terdelokalisasi di sekitar jaringan situs yang setara – yang menjelaskan perilaku tidak biasa yang diamati dalam eksperimen pada suhu tinggi.
Para ilmuwan berharap bahwa hal yang sama mungkin berlaku juga untuk banyak oksida magnetik berstruktur garam batu lainnya. Di masa depan, Timrov menjelaskan, kelompoknya ingin terus mempelajari materi yang sama termasuk efek suhu, menggunakan teknik canggih lain yang dikembangkan di MARVEL dan disebut pendekatan harmonik konsisten stokastik. Selain itu, dan bekerja sama dengan kelompok Giovanni Pizzi di Paul Scherrer Institute, pendekatan ini akan tersedia bagi komunitas melalui antarmuka AiiDAlab, sehingga semua peneliti dapat menggunakannya untuk penelitian mereka sendiri.
Referensi: “Lokalisasi Muon Berbasis Magnetostriksi dalam Oksida Antiferromagnetik” oleh Pietro Bonfà, Ifeanyi John Onuorah, Franz Lang, Iurii Timrov, Lorenzo Monacelli, Chennan Wang, Xiao Sun, Oleg Petracic, Giovanni Pizzi, Nicola Marzari, Stephen J. Blundell dan Roberto De Renzi, 24 Januari 2024, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.046701
Studi ini didanai oleh Swiss National Science Foundation.
