С момента открытия квазикристаллы активно исследуются материаловедами по всему миру. Из-за их редкости ученые часто прибегали к изучению имитирующих их моделей, называемых аппроксимантами.
Недавно в классе аппроксимантов на основе золота, называемых "аппроксимациями типа Цай", было обнаружено присутствие магнитного порядка, тип которого может контролироваться составом аппроксимантов – захватывающая возможность для исследователей-материаловедов.
В таких приближениях возрастающей сложности, например, состоящих из золота (Au), алюминия (Al) и тербия (Tb), магнитный порядок оказался антиферромагнитным, где каждый ион в кристалле действует как небольшой магнит со своим полюса напротив соседей.
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review B, проф. Рюдзи Тамура из Токийского научного университета (TUS), Япония, вместе со своими коллегами Сэмом Коутсом из TUS, а также Хем Радж Шарма и Ронан МакГрат из Ливерпульского университета исследовали атомную структуру антиферромагнитной поверхности этого аппроксиманта типа Цай. Проф. Тамура, который руководил исследованием, говорит: «Аппроксиманты Цай на основе золота недостаточно изучены по сравнению с их аналогами на основе серебра (Ag), особенно в области науки о поверхности.
Понимание структуры этих материалов типа Цай позволит глубоко интерпретировать их специфические свойства, такие как магнитные переходы, электронные особенности и сверхпроводимость."Их исследование дало неожиданные результаты.
Строительными блоками аппроксимант типа Цай являются «кластеры типа Цай», многогранные оболочки, количество сторон которых зависит от варианта аппроксимации.
В своем исследовании проф. Команда Тамуры выбрала вариант аппроксимации Au-Al-Tb 1/1, в котором тетраэдрическая единица была заключена в додекаэдр, икосаэдр, икосододекаэдр и ромбический триаконтаэдр. Атомы Tb занимали вершины икосаэдра, а атомы Au / Al – вершины остальных оболочек.
Ученые изучили удельную поверхность монокристалла 1/1 Au-Al-Tb с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и подтвердили свои наблюдения расчетами по теории функционала плотности (DFT).
Они обнаружили, что поверхность имеет своеобразную ступенчато-террасную структуру с террасами, заканчивающимися плоскостями, содержащими атомы Tb, и высотой ступеньки, которая, что интересно, по-видимому, сводила к минимуму количество неполных икосаэдров. Кроме того, они обнаружили, что структура террасы зависит от знака напряжения смещения, приложенного к образцу.
В то время как при положительном смещении атомы Tb демонстрировали ромбоэдрическое или гексагональное расположение, отрицательное смещение показало, что атомы Au / Al расположены в линейной структуре, подобной строке, – вид переключения, не наблюдавшийся ранее в материалах типа Цай. «Поскольку это первый материал типа Цай, демонстрирующий такую схему, нам необходимо продолжить исследование типов Цай на основе золота, чтобы оценить, играет ли химический состав роль в структуре поверхности», – комментирует профессор. Тамура. Наблюдения согласуются с расчетами DFT.
Хотя квазикристаллы нашли несколько применений, от хирургических инструментов, светодиодов до сковородок с антипригарным покрытием, они еще далеко не изучены, и недавние открытия в квазикристаллических структурах служат намеком на неиспользованные экзотические возможности, которые они скрывают. «Уникальная структура поверхности типа Цай предполагает, что квазикристаллы могут быть использованы в качестве шаблона для молекулярной адсорбции при создании тонких органических полупроводниковых пленок», – сказал проф. Тамура говорит. «Понимание того, как изменение структуры соответствует магнетизму, может открыть двери для новых приложений», – добавляет он.
Одно можно сказать наверняка: квазикристалл немного четче!