SAMURAI – Harnessing the Unique Samarium Ion in Samarium Trihalides

I det fascinerende feltet kondens fysikk og materialvitenskap, er manipulering av materialers magnetiske egenskaper attraktivt. Et viktig konsept er magnetokrystallinsk anisotropi, en egenskap som bestemmer hvordan et materials magnetiske egenskaper er retningsavhengige i krystallstrukturen. Å oppnå kontroll over denne egenskapen kan åpne nye teknologiske veier, fra datalagring til kvanteberegning. Dette krever en dyp forståelse av samspillet mellom Coulomb-interaksjoner—de frastøtende kreftene mellom elektroner—og materialets magnetiske basistilstander. En kandidat for å designe materialer med lav magnetokrystallinsk anisotropi er det sjeldne jordmetallelementet samarium (Sm), spesielt som samarium(III). Samarium utmerker seg på grunn av sitt enkle, men likevel intrikate sett av magnetiske basistilstander. Det deles i tre nivåer fra J=5/2 multipletten, okkupert av fem elektroner. Dette resulterer i høyt symmetriske elektriske og magnetiske tettheter, noe som gjør samarium til en attraktiv kandidat for utvikling av materialer med lav magnetokrystallinsk anisotropi. Å utforske disse eksotiske tilstandene er imidlertid ikke lett. Nøytronspredning, en kraftig teknikk for å studere materialers interne magnetiske landskap, møter utfordringer med samarium. Naturlig samarium absorberer nøytroner, noe som kompliserer eksperimenter. Det er her SAMURAI-prosjektet innoverer: ved å gro høykvalitets enkeltkrystaller ved bruk av 154Sm-isotopen, som absorberer langt færre nøytroner, kan vi avduke disse materialenes interessante magnetiske grunntilstander. SAMURAI-prosjektet har som mål å studere kompleks magnetisk orden og bindingsavhengig magnetisk oppførsel innen samariumforbindelser. Et viktig mål er å utforske eksotiske tilstander som Kitaev kvantespinnvæsken—en tilstand preget av høyt sammenfiltrede kvantespinn, som er viktig for vår forståelse av kvantematerialer og beregning.

Designing materials with defined magneto-crystalline anisotropy is very important in condensed matter physics and materials science. This requires a deep understanding of the interplay between Coulomb interactions—the repulsive forces between electrons—and the magnetic basis states of the material. To design materials with low magneto-crystalline anisotropy, samarium (Sm) emerges as an exceptional candidate for exploration among the rare-earth elements. Samarium(III) showcases one of the smallest sets of magnetic basis states, comprised of only three levels from the J=5/2 multiplet, occupied by five electrons. The Coulomb interactions between these electrons result in a highly spherically symmetric electric and magnetic configuration, an attribute that makes samarium(III) compounds particularly interesting. The SAMURAI project aims to search for complex magnetic ordering and bond-dependent magnetic behavior, such as the Kitaev quantum spin liquid enabled by low magneto-crystalline anisotropy. Inelastic neutron scattering is an exceptionally powerful tool to identify exotic states like the Kitaev quantum spin liquid, but the high neutron absorption of natural samarium makes neutron scattering challenging. The growth of high-quality single crystals with the 154Sm isotope will enable the project, which dramatically reduces the neutron absorption, allowing us to identify the magnetic ground states. Finally, SAMURAI will add a strong and broad activity within neutron science to strengthen the Norwegian science and user community. From the perspective of the coming European spallation source, ESS, it is crucial for Norway to build competence and ensure a user community. This will be ensured through the use of the national neutron infrastructure NcNeutron, which will serve as a foundation for future use of ESS.