Novel Approaches to Magnetostructural phase transitions in Metallic systems

NAMM prosjektet, Novel Approaches to Magnetostructural phase transitions in Metallic systems, er et grunnforskningsprosjekt der to post doktorer har arbeidet i en treårs periode. Utgangspunktet for prosjektet var faktisk eksperimenter gjort 30 år tidligere ved UiO, på et tidspunkt da veldig avanserte metoder for å studere detaljer i atomær oppbygging av faste stoffer var veldig svakere enn i dag hvor man nå kna benytte meget avanserte TEM elektronmikroskoper og store internasjonale røntgen (synkrotron) og nøytronanlegg. Også situasjon mhp teoretiske beregninger er helt annerledes, med tilgang til superdatamaskiner. Denne kombinasjonen, uløste spennende og krevende problemstillinger, utmerkede prøver og nye skarpe verktøy er basisen for NAMM. Prøvene som studeres er metalliske, og inneholder gruppe 15 grunnstoffer, i dette tilfellet vesentlig arsen. Som eksempel, så fremstilles blandinger av MnAs og NiAs ved diffusjonsreaksjoner i lukkede, evakuerte kammere. Deretter måles magnetiske og elektriske egenskaper. Disse sammenholdes med informasjon man har om atomarrangementet. NAMM har levert et ekstraordinært vitenskapelig resultat: I stedet for at Mn og Ni atomer blandes i krystallstrukturen i det faste stoffet, parallelt med hvordan vann og alkohol blandes i løsning, så dannes det i stedet sub-nm tykke lag av MnAs og NiAs som systematisk (men matematisk sett på et modulert vis) gjentas og gjentas. Dette er ikke kjent fra noe fast stoff studert tidligere, metalliske eller keramisk. Det er således helt ny viten. De praktiske aspektene er ukjent, men avansert sensorteknologi er en mulighet. Fire publikasjoner er trykket så langt, mens ytterligere 4-5 vil publiseres i løpet av 2022.

Prosjektet har styrket vitenskaplig kompetanse for alle deltakere i prosjekter, prosjekttilstatte og fast vitenskapelig - mhp metodisk innsikt og bruk, samt ny innsikt/forståelse av nano/material - kjemi/fysikk. Det betyr et dokumentert høyere vitenskaplig nivå i internasjonal sammenheng. Prosjektet har medført nytt samarbeid, med sterke miljøer, gjennom bruk av avansert TEM (Caen, Praha), og XMCD (Soleil), i tillegg til konsolidering av bruk av synkrotron/neutron stor skala anlegg. Dette er viktig for vår fremtidige bruk av slike installasjoner mer generelt innen grunnleggende og anvendt materialforskning. Fornyelse og høy faglig kvalitet stimulerer til topp forskning, tett samarbeid med ledende grupper internasjonalt, samt gjør oss attraktive som partnere for norsk forskning; grunnleggende, samt innen forskningsinstitutter og næringsliv

Certain metallic systems undergo fascinating magnetostructural phase transitions. Our main focus is 3d-transition metal pnictides, primairly with manganese as the element with particular electronic and magnetic features. A few such compounds, for instance MnAs and ternary derivatives, are energetically at a subtle balance with respect to spin state (low versus high spin), electronic structure (localized versus itinerant), antiferro- (incommensurate variants included) or ferromagnetic, hexagonal or orthorhombically disorder, fully cation ordered or partly disordered. In this complex energy landscape first and second order magnetostructural transitions occurs, with multicritical points in relevant phase diagrams. Some such systems attracts large attention for applications in cooling and refrigeration in terms of magneto- or barocaloric materials. Our focus is on fundamental aspects, in particular on how structure and chemistry influence properties. In this respect electronic structure is a key for understanding. We will benefit from a strong past experience, and in particular with skills in sample synthesis. A large number of critical issues are addressed. To answer those, and to pinpoint the physical origin of the exciting stabilities of these compounds, we will use a battery of synchrotron and neutron methods to describe crystal/magnetic structures, at ambient, at variable temperature, pressure and magnetic fields. Physical characterization (PPMS) will provide magnetization, resistivity, seebeck coefficient, heat capacity for 2-350 K and 0-9 T field. High pressure and magnetic field based experiments are planned at large scale facilities. The electronic structure will be calculated by first principles methods, and explored experimentally by SR methods like XAS, XES, XPS, ARPES. DFT modeling will take a particular role, for stability, phase diagrams and electronic structure. National (IFE) and international collaboration is agreed (CUTN, India and CRISMAT, Caen (F).