国际科学家发现磁致伸缩显著影响某些材料中的μ子局域化，推翻了以前μ子光谱学的假设。这一突破是通过先进的模拟实现的，它揭示了氧化锰的磁相变，并对研究类似材料具有重要意义。
μ子光谱是研究材料磁性特性的重要实验方法。这项技术包括在晶格中嵌入一个自旋极化的μ子，并观察周围环境对其行为的影响。它的工作原理是，介子会沉降到一个主要受静电力影响的特定位置，这个位置可以通过计算材料的电子结构来确定。
但是，由意大利、瑞士、英国和德国的科学家领导的一项新研究发现，至少对某些材料来说，这并不是故事的结局:μ子的位置会因为一种众所周知但以前被忽视的效应而改变，即磁致伸缩。
来自帕尔马大学的Pietro bonf
是刚刚发表在《物理评论快报》上的这项研究的主要作者，他解释说，他的团队和他们在牛津大学(英国)的同事已经使用密度泛函理论(DFT)模拟至少十年了，以找到介子的位置。
“我们从棘手的情况开始，比如氧化铕和氧化锰，在这两种情况下，我们都找不到一种合理的方法来调和DFT预测和实验，”他说。“然后我们测试了更简单的系统，我们有很多成功的预测，但这两个案例真的困扰着我们。这些化合物应该很简单，但结果却超级复杂，我们不明白发生了什么。氧化锰是反铁磁系统的教科书案例，我们无法解释它的μ子光谱结果，这有点尴尬。”
他解释说，问题在于期望在高度对称的位置上发现μ子与它众所周知的与氧原子成键的倾向之间的矛盾。材料的反铁磁序降低了对称性，靠近氧原子的位置变得与实验不相容。
DFT仿真中的挑战与解决方案
bonfou怀疑这种解释可能与材料经历磁相变有关，并开始尝试在模拟氧化锰时重现这种现象。“因为这是一个复杂的系统，你必须给DFT加上一些校正，比如Hubbard U参数，”他说。“但我们是根据经验来选择它的价值的，当你这样做的时候，你有很多不确定性，结果可能会因为你选择的价值而发生巨大变化。”
尽管如此，bonf
“我们使用了一种最先进的方法，称为DFT+U+V，这对于使模拟更准确非常重要，”PSI材料模拟实验室的科学家，该研究的合著者Iurii Timrov解释说。这种方法可以与现场U和站点间V哈伯德参数一起使用，这些参数是从第一性原理计算出来的，而不是经验选择的，这要归功于使用了密度泛函微扰理论，用于DFT+U+V，该理论是在MARVEL中开发的，并在Quantum ESPRESSO软件包中实现。bonf
补充说:“尽管我们已经弄清楚了磁致伸缩在起作用，但在模拟的构建块上获得正确的信息非常重要，这来自于Iurii的工作。”
最后，这个谜题的解决方法相对简单:磁致伸缩，即材料中磁性和弹性自由度之间的相互作用，导致MnO在118K时发生磁相变，此时介子位置发生切换。在这个温度以上，介子就会在一个等效位置的网络周围离域——这就解释了在高温实验中观察到的不寻常行为。
科学家们预计，其他岩盐结构的磁性氧化物可能也是如此。Timrov解释说，在未来，该小组希望继续研究同样的材料，包括温度效应，使用MARVEL开发的另一种先进技术，称为随机自洽谐波近似。此外，通过与Paul Scherrer研究所的Giovanni Pizzi团队的合作，这种方法将通过aiiDAlab接口提供给社区，以便所有实验学家都可以将其用于自己的研究。
参考文献:“反铁磁氧化物中磁致伸缩驱动的μ子局部化”，作者:Pietro bonf
、Ifeanyi John Onuorah、Franz Lang、Iurii Timrov、Lorenzo Monacelli、Chennan Wang、Xiao Sun、Oleg Petracic、Giovanni Pizzi、Nicola Marzari、Stephen J. Blundell和Roberto De Renzi, 2024年1月24日，物理评论通讯。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.046701
这项研究由瑞士国家科学基金会资助。
