W związku z tym przedstawiciele Rice University szukali sposobu, który pozwoliłby im usprawnić tę kwestię. Kluczem do uzyskania bardziej jednorodnego kryształu może się okazać bardzo prosta zmiana: zamiast obracać pole magnetyczne dokładnie o 360 stopni, należy wykonać nieco więcej niż jeden pełny obrót, a dopiero potem zmienić jego kierunek.
Czytaj też: Alternatywny diament wprost z laboratorium. Nigdy przedtem nie udało się uzyskać takiego materiału
W toku badań naukowcy skupili się na procesie samoorganizacji cząstek magnetycznych sterowanych za pomocą obracającego się pola magnetycznego. Jak wyjaśniają, problem pojawia się dlatego, że reakcja cząstki magnetycznej na zmieniające się pole nie jest natychmiastowa. Jej namagnesowanie pozostaje minimalnie opóźnione względem pola. Zjawisko to określa się mianem relaksacji magnetycznej. Choć opóźnienie jest niewielkie, może mieć istotne konsekwencje dla całego procesu. Podczas standardowego obrotu o 360 stopni nie wszystkie orientacje są bowiem traktowane w identyczny sposób. W rezultacie cząstki mogą zacząć preferować określony kierunek.
Właśnie na tym etapie pojawia się pomysł dodatkowego obrotu. Naukowcy wykazali, że odpowiednio dobrane przekroczenie pełnego obrotu pozwala skompensować efekt opóźnienia. Przy właściwie obliczonym kącie dodatkowego obrotu preferowany kierunek znika, a oddziaływania pomiędzy cząstkami stają się izotropowe. Oznacza to, że są takie same niezależnie od orientacji cząstek względem siebie.
Co ważne, badacze opracowali również zależność pozwalającą określić, jak duży powinien być dodatkowy obrót. Zależy on przede wszystkim od czasu relaksacji magnetycznej cząstek oraz prędkości obrotu pola magnetycznego. Symulacje numeryczne ujawniły, że rozwiązanie pozostaje skuteczne także po uwzględnieniu wzajemnych oddziaływań cząstek oraz ich własnego ruchu obrotowego.
Czytaj też: Fizycy zaobserwowali ślad materii z pierwszych chwil wszechświata. Przełomowe odkrycie w CERN
Odkrycie to nie oznacza jeszcze, iż naukowcy potrafią w prosty sposób wytwarzać dowolne idealne kryształy. Pokazuje jednak, że pozornie niewielki szczegół w sterowaniu polem magnetycznym może mieć duże znaczenie dla procesu samoorganizacji materii. Opracowana metoda daje badaczom sposób kontrolowania warunków, w których mikroskopijne cząstki mogą tworzyć bardziej uporządkowane struktury. W przyszłości powinno to zaowocować projektowaniem bardziej jednorodnych materiałów powstających w wyniku magnetycznego samoorganizowania cząstek. Zamiast próbować zwalczać niepożądane efekty dopiero po utworzeniu struktury, naukowcy mogą więc precyzyjnie dostosować sposób działania pola już na etapie jej powstawania.
Źródło: Physical Review Research
