Fig. Celosía de pirocloro sin / con distorsiones (paneles izquierdo / derecho). Como resultado de las distorsiones, Emergen el acoplamiento ferromagnético (línea azul) y el acoplamiento anti-ferromagnético (línea roja). Los acoplamientos ferromagnéticos / anti-ferromagnéticos tienden a hacer espines paralelos / antiparalelos. Luego, giros de morybdeno colocados en las esquinas de los tetraedros exhiben vidrioso, configuraciones desordenadas. Crédito:Universidad de Osaka
Un grupo de investigación conjunto de la Universidad de Osaka y la Universidad de Tokio descubrió el mecanismo de la transición vítrea que los electrones pueden experimentar en los cristales de óxido de pirocloro. Los investigadores muestran que las distorsiones en la red atómica hacen que dos tipos de grados de libertad de rotación de los espines se acoplen y formen un estado vítreo a la misma temperatura exacta. Este trabajo arrojará luz sobre nuestra comprensión del mecanismo de las transiciones de vidrio, que es uno de los problemas sin resolver más fundamentales de la física.
Los óxidos de pirocloro son minerales que tienen la fórmula química A 2 B 2 O 7 , donde A es generalmente un ion de tierras raras y B es un metal de transición; en este caso, molibdeno. Los iones metálicos del cristal forman tetraedros que comparten esquinas. Los electrones de los iones están esencialmente unidos al núcleo, pero aún pueden orbitar alrededor del núcleo y girar sobre sí mismos. En un sentido, esto es similar a los movimientos de los planetas en el sistema solar:los planetas están orbitando alrededor del sol mientras también giran alrededor de sí mismos.
Los científicos descubrieron que las órbitas y los giros de los electrones en diferentes esquinas de los tetraedros interactúan entre sí de una manera compleja. Algunos pares de giros quieren alinear sus ejes de giro en paralelo, pero otros quieren alinearlos en antiparalelo. Desafortunadamente, no hay forma posible de cumplir con todos estos simultáneamente, por eso los científicos dicen que los giros están "frustrados". El resultado son muchas configuraciones equivalentes y los giros terminan atascados apuntando en diferentes direcciones incluso a bajas temperaturas. Esto se conoce como vidrio giratorio, ya que tiene una dinámica muy similar al enfriamiento del vidrio fundido a estado sólido. Es decir, el vidrio al que estamos acostumbrados en nuestras ventanas y tazas se encuentra en un estado intermedio entre sólido y líquido. Las moléculas están fijadas en su lugar, como un sólido, ya que no tienen suficiente energía para moverse, pero están dispuestos sin un orden de largo alcance, algo así como un "líquido congelado".
"Aunque se sabe que algunos sistemas muestran este tipo de comportamientos debido a la aleatoriedad extrínseca, llamado 'trastorno apagado, "Hemos demostrado que esto no es necesario para comprender el carácter vítreo del sistema pirocloro, "dice el primer autor Kota Mitsumoto.
Si bien la naturaleza a menudo parece favorecer las formas simétricas, hay casos en los que los cristales tetraédricos son más estables cuando un lado se alarga y el otro se comprime, en un proceso llamado distorsión de Jahn-Teller. Los investigadores encontraron que este cambio acopló el giro y los grados de libertad orbital, lo que los hizo sufrir transiciones vítreas a la misma temperatura crítica. "Nos alegró poder ayudar a resolver un rompecabezas de larga data sobre el origen del vidrio giratorio libre de desorden, "agrega el autor principal Hajime Yoshino.
El equipo utilizó simulaciones por computadora junto con cálculos teóricos para demostrar que, a esta temperatura crítica, la respuesta no lineal a los campos magnéticos externos se vuelve muy grande, como se esperaba para una transición vítrea.
"Demostramos, por primera vez, cómo puede ocurrir una transición vítrea termodinámica en una red periódica sin aleatoriedad apagada, ", dice Mitsumoto." Esperamos que nuestros hallazgos puedan mejorar la comprensión de la transición vítrea en general ".
