科学家们发现了第一个铁磁准晶体

1984 年，对铝锰合金的例行检查发现了一种以前被认为在晶体学上不可能的奇怪异常——五重旋转对称。这是“准晶体”(QC)的发现(后来获得诺贝尔奖)，这是一种奇怪的固体，显示出类似于晶体的长程排序，但缺乏周期性。相反，该顺序是“准周期的”，这导致了晶体中不存在的一些奇异的对称性。从那时起，QC 一直是科学界备受关注的主题。

但是它们的潜在应用仍然不确定，因为没有观察到表明它们的长程准周期序的物理性质，例如长程磁序。直到现在，就是这样。

在发表在《美国化学学会杂志》上的一项新研究中，由东京理科大学 (TUS) 的 Ryuji Tamura 教授、东北大学的 Taku J. Sato 教授和 Maxim Avdeev 教授领导的全球科学家团队澳大利亚核科学技术组织和澳大利亚悉尼大学的研究人员报告了对二十面体准晶体(iQCs 或具有 5 重旋转对称性的 QCs)中长程铁磁有序的首次观察。TUS田村实验室的成员Asuka Ishikawa女士和Shintaro Suzuki博士也为该项目做出了宝贵的贡献。

“这种铁磁iQC 的成功合成是我们实验室 10 多年研究的结晶，”田村教授说，“没有人知道它们将进一步揭示什么样的特殊行为，或者如何利用它们来促进技术，但现在我们终于迈出了第一步。阐明这些铁磁 QC 的特性将极大地促进科学的发展。”

有四种主要类型的磁序：铁磁性、反铁磁性、顺磁性和抗磁性。近似晶体 (APs) 中反铁磁和铁磁跃迁的发现——与相关 QC 结构有些相似的晶体，可以使用常规技术进行研究——激发了研究小组寻找磁性有序的iQC。为了进行研究，该团队制备了金 (Au)、镓 (Ga) 和钆 (Gd) 以及金、镓和铽 (Tb) 的合金。使用传统的 X 射线衍射，他们观察到 Au-Ga-Gd 和 Au-Ga-Tb 的二十面体准晶相的形成。

然后，他们使用磁化率和比热测量研究了两个iQC的特性。他们发现这两种合金在 23 K (GdiQC) 和 16 K (TbiQC) 下都表现出铁磁相变，这是长程磁序的特征。为了进一步验证这些结果，他们使用 ECHIDNA(澳大利亚 ANSTO)和 ISSP-GPTAS( JRR-3)进行了中子衍射实验，并观察了iQC 在不同温度下的中子衍射图。他们观察到低于各自转变温度的显着布拉格峰，证实了iQC的铁磁性质。

迄今为止，合成磁性iQC 的尝试都以“旋转玻璃状冻结”告终，其特征是无序的磁性状态。在此背景下，本研究中发现的长程铁磁有序的影响远远超出了材料物理特性的范围，并为定制磁性材料打开了大门。“铁磁 QC 的晶体对称性远高于传统周期晶体，这使得它们可以用作超软磁性材料，”田村教授说。

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