Ферромагнетизм был недавно обнаружен в икосаэдрических КК золото-галлий-редкоземельные элементы (Au-Ga-R) (iQCs). Однако ученые не были удивлены этим наблюдением, поскольку поступательная периодичность - повторяющееся расположение атомов в кристалле - не является необходимым условием для возникновения ферромагнитного порядка. Напротив, другой фундаментальный тип магнитного порядка, встречающийся в природе, антиферромагнетизм, по своей сути более чувствителен к симметрии кристаллов.

Хотя теоретики давно ожидали установления антиферромагнетизма в некоторых КК, его еще предстоит непосредственно наблюдать. Экспериментально большинство магнитных IQC демонстрируют поведение, подобное замораживанию спинового стекла, без каких-либо признаков дальнего магнитного порядка, что заставляет исследователей задаваться вопросом, совместим ли антиферромагнетизм вообще с квазипериодичностью - до сих пор.

В ходе новаторского исследования исследовательская группа, наконец, обнаружила антиферромагнетизм в реальном КК. Команду возглавлял Рюдзи Тамура с факультета материаловедения и технологии Токийского университета науки (TUS), а также Такаки Абэ, также из TUS, Таку Дж. Сато из Университета Тохоку и Макс Авдеев из Австралийской организации ядерной науки и технологий и Университета Сиднея. Их исследование было опубликовано в журнале Nature Physics 11 апреля 2025 года.

"Как и в случае с первым сообщением об антиферромагнетизме в периодическом кристалле в 1949 году, мы представляем первое экспериментальное доказательство того, что антиферромагнетизм имеет место в iQC", - говорит Тамура.

Основываясь на своем недавнем открытии ферромагнетизма в IQC Au-Ga-R, исследователи идентифицировали новый iQC золото-индий-европий (Au-In-Eu) типа Tsai, демонстрирующий 5-кратную, 3-кратную и 2-кратную симметрию вращения. Команда провела серию измерений объемных свойств и нейтронных экспериментов, чтобы изучить его магнитную природу. Измерения магнитной восприимчивости показали резкий скачок при температуре 6,5 Кельвина (К) как в условиях охлаждения нулевым полем, так и в условиях охлаждения полем, что соответствует антиферромагнитному переходу. Измерения удельной теплоемкости также показали пик при той же температуре, подтверждая, что острие связано с дальнодействующим магнитным порядком.

Чтобы дополнительно подтвердить свои результаты, команда провела измерения дифракции нейтронов iQC при температурах 10 К и 3 К. Они наблюдали дополнительные магнитные брэгговские пики - резкие пики интенсивности на дифракционной картине, указывающие на упорядоченную магнитную структуру - при 3 К, которые последовательно демонстрировали резкое увеличение температуры перехода около 6,5 К при измерениях температурной зависимости, обеспечивая первое четкое свидетельство антиферромагнитного порядка на большом расстоянии в реальном КК.

Что касается того, почему iQC Au-In-Eu содержит антиферромагнитную фазу, исследователи обнаружили, что, в отличие от ранее изученных IQC, которые обычно демонстрируют отрицательную температуру Кюри-Вейсса, этот новый iQC имеет положительную температуру Кюри-Вейсса. Интересно, что они также обнаружили, что при небольшом увеличении соотношения электронов на атом за счет замещения элементов антиферромагнитная фаза исчезает, и iQC демонстрирует поведение спинового стекла, во многом похожее на предыдущие IQC. Это говорит о том, что IQC с положительной температурой Кюри-Вейсса способствуют установлению антиферромагнитного порядка, открывая новые возможности для будущих исследований по разработке новых антиферромагнитных QC путем регулирования соотношения электронов на атом.

"Это открытие, наконец, решает давний вопрос о том, возможен ли антиферромагнитный порядок в реальных КК", - добавляет Тамура. "Антиферромагнитные системы контроля качества могут обеспечить беспрецедентные функции, такие как сверхмягкие магнитные отклики, и в будущем произведут революцию в спинтронике и магнитном охлаждении".

Открытие исследователей согласуется с целями устойчивого развития Организации Объединенных Наций (ЦУР) - доступная и чистая энергетика (ЦУР 7), промышленность, инновации и инфраструктура (ЦУР 9) - путем создания энергоэффективной электроники. Разгадав тайну, длившуюся десятилетиями, это открытие не только активизирует поиск неизученных антиферромагнитных КК, но и открывает новую область исследований квазипериодических антиферромагнетиков, последствия которой выходят далеко за рамки спинтроники.