Undersøgelse identificerer metallisk antiferromagnet med potentiale for hukommelsesenheder

Antiferromagneter har skabt betydelig interesse for fremtidige computingteknologier på grund af deres hurtige dynamik, deres evne til at generere og detektere spin-polariserede elektriske strømme, og deres robusthed mod eksterne magnetfelter. På trods af disse lyse udsigter, den forsvindende totale magnetisering i antiferromagneter gør det vanskeligt at evaluere deres indre magnetiske struktur sammenlignet med deres ferromagnetiske modstykker.

Begrænset forståelse af den interne magnetiske struktur af antiferromagnetiske materialer og enheder er en stor hindring for at manipulere og effektivt udnytte variationer i deres magnetiske tilstand. I arbejde, der kaster lys over et nyt sæt antiferromagnetiske materialer, et internationalt forskerhold ledet af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST), det amerikanske søfartsforskningslaboratorium, Johns Hopkins University, Institute for Solid State Physics (ISSP), og University of Tokyo har identificeret en metallisk antiferromagnet (Mn ₃ Sn), der udviser en stor spontan magneto-optisk Kerr-effekt (MOKE), trods en forsvindende total magnetisering ved stuetemperatur. En metallisk antiferromagnet med en stor spontan MOKE lover at være et vigtigt redskab for fremtidige antiferromagnetiske hukommelsesenheder, hvor enhedens tilstand kunne aflæses optisk og skiftes enten optisk eller med en spin-polariseret elektrisk strøm.

Den magneto-optiske Kerr-effekt sonderer den lokale magnetiseringsprojektion på bølgevektoren i en indkommende lysstråle. I de fleste antiferromagnetiske materialer, de gensidigt modsatte spinretninger fører til en annullering af denne effekt, og det menes derfor, at MOKE er ubrugelig til undersøgelse af antiferromagneter. Som forskerne fra det internationale team har vist, imidlertid, det antiferromagnetiske metal Mn ₃ Sn udviser en stor MOKE med en MOKE rotationsvinkel på 20 milli-grader ved nul magnetfelt, trods dens magnetisering nær nul, hvilket faktisk kan sammenlignes med ferromagnetiske metaller.

En simpel bestilling af en antiferromagnet er kollinær, hvor tilstødende spins inden for et antiferromagnetisk domæne har deres spins justeret anti-parallelt, hvor pilen på et spin peger op, mens det tilstødende spin peger nedad. Mn ₃ Sn udviser en usædvanlig chiral spin -ordre, hvor hvert spin drejes 120 grader mod uret til sin nabo i sæt af tre spins centreret på hjørnerne af en ligesidet trekant dannet af Mn-atomer i Mn ₃ Sn krystal. Selvom der er nul nettomagnetisering i både kollinære og ikke-kollinære 120-graders spin-systemer-det samme som nul-dipolmoment-opstår der en ikke-forsvindende octupole-øjeblik er til stede i spin-systemet i Mn ₃ Sn. Dette octupolmoment interagerer med lys på samme måde som en ferromagnet og giver anledning til den store MOKE i Mn ₃ Sn.

Det internationale forskerhold, herunder NIST-videnskabsmænd Daniel Gopman og Robert Shull, og U. Tokyo-forskerne Tomoya Higo og Satoru Nakatsuji, rapportere deres resultater i den 26. januar, 2018 udgave af Natur fotonik .

MOKE i Mn ₃ Sn muliggør billeddannelse i realtid af magnetiske domæner. Ved at bruge MOKE -mikroskopi, forskerne demonstrerer for første gang domæneomvendelsesprocessen i Mn ₃ Sn. Dette fund indikerer, at den observerede Kerr -effekt meget vel kan være nyttig, ikke kun til undersøgelse af dynamikken i antiferromagnetiske domæner, men også til fjernt at læse den information, der er magnetisk lagret i antiferromagneten. Løbende undersøgelser søger at udvikle behandlingsbetingelserne for fremstilling af tyndfilm og nanoskala Mn ₃ Sn med de fordelagtige magnetiske egenskaber opdaget i enkeltkrystaller i bulk.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.