Skjult magnetisme vises under skjult symmetri

Nogle gange skal en god teori bare rette materialer for at få det til at fungere. Det er tilfældet med nylige fund fra UT's fysikere og deres kolleger, der har designet et todimensionalt magnetisk system, der peger på muligheden for enheder med øget sikkerhed og effektivitet, bruger kun en lille mængde energi. Ved at udnytte en skjult symmetri i materialet, deres resultater understøtter en teori, der først blev foreslået for 20 år siden.

Bevar kontrol uden at miste fleksibilitet

Folk har kendt til magnetisme siden oldtiden, men er stadig ved at lære, hvordan det fungerer, især på kvanteskalaen. I ferromagneter, atomer og deres naboer har magnetiske øjeblikke (forårsaget af spin), der alle flugter i samme retning. Vi kan let styre den retning ved hjælp af et eksternt magnetfelt. I antiferromagneter, imidlertid, de magnetiske øjeblikke anti-justere med deres naboer og skiftevis en efter en. Denne mikroskopiske spin -justering beskytter perfekt ethvert eksternt magnetfelt og er skjult for omverdenen. Antiferromagneter blev opdaget af Louis Néel i 1948, men blev beskrevet i sit nobelforedrag fra 1970 som værende teoretisk interessant, men teknologisk ubrugeligt.

Jian Liu, adjunkt i fysik, forklaret, at generelt spins i en antiferromagnet kan rotere, uanset hvad de vil, så længe anti-justeringen opretholdes. Men, hvis interaktionen mellem atomerne er anistropisk, "det vil give spinnet en bestemt præferenceretning." Dette er DM (Dzyaloshinskii-Moriya) interaktion, der stammer fra relativistisk virkning, og Liu forklarede, at den gør to ting. Først, det vipper (eller kan) spinnene lidt væk fra den perfekte anti-justering, hvilket er godt, fordi dette betyder, at et eksternt magnetfelt ikke vil være fuldstændigt afskærmet og kan koble sig til de skrå spins, selvom de er forskudt. Der er en afvejning, imidlertid, i at mens denne interaktion giver mulighed for canting, det fastgør retningen.

"Så du får lidt kontrol, "Sagde Liu, "men du mister også en vis fleksibilitet. Og det udligner."

For at komme uden om dette problem, han og et team af medforskere udnyttede en skjult spinsymmetri:SU (2).

"SU (2) er faktisk en terminologi, som teoretikere og matematikere bruger i gruppeteori, "Liu sagde." Det betyder, at spin er isotrop - det kan pege i enhver retning, du ønsker. "

Men hvordan, Nemlig, er denne symmetri skjult?

Liu sagde, at det gemmer sig, hvis man kun ser på tingene i lokal skala.

"For eksempel, hvis du sidder med et spin, og du ser dig omkring, du ser et meget anisotropisk miljø, "forklarede han." Grundlæggende de andre spins - dine naboer - fortæller dig, at du ikke må (på en bestemt måde) være kompatibel med dem. Hvis du ser på en meget global skala - hvis du overvejer alle centrifugeringerne - viser det sig, at hele systemet er perfekt isotropt og bevarer denne rotationssymmetri.

"Du kan tænke på det på denne måde, "fortsatte han, "for flere hundrede år siden folk troede, at jorden var flad. Det er fordi vi sad i en meget lokal skala. Vi troede, at hvis vi fortsætter med at gå ad en retning, ville vi aldrig komme tilbage til det samme punkt. Men det viser sig, at jorden er en kugle, så hvis du fortsætter med at gå nordpå på et tidspunkt, passerer du stangen, og så kommer du tilbage. Så hvis du ser på jorden på global skala, du ser, at den har rotationssymmetri, som du ikke ville bemærke, hvis du er bundet til overfladen. "

Tilføjelse af bare nok plads

Rollen for denne globale symmetri i antiferromagnetiske systemer blev faktisk forudsagt for to årtier siden. Liu sagde, mens teorien var fascinerende, det materiale, der blev brugt til at teste, var ikke egnet til opgaven.

Til deres studier, han og hans kolleger dyrkede prøver lavet af strontium, iridium, og ilt (SrIrO3), samt strontium, titanium, og ilt (SrTiO3) og, ved hjælp af pulserende laseraflejring, voksede dem på et basislag af SrTiO3 kun en enkelt krystal tyk. De fokuserede på tre punkter:materialets kemi, bevarelse af symmetrien, og et afgørende ekstra lag. Iridium viste sig at være et vigtigt valg, fordi det gav stærk DM -interaktion. Strukturen muliggør den skjulte symmetri, hovedsagelig fordi teamet adskilte lagene med en "spacer" af SrTiO3, så hvert lag ville have sine egne todimensionelle egenskaber.

Inspirationen til denne forskning kom sidste år, efter at Liu og andre videnskabsfolk offentliggjorde resultater om kontrol af ultrafine materialer i Fysisk gennemgangsbreve . Han forklarede, at når de fandt en måde at adskille lagene på for at udforske iboende todimensionale egenskaber, de indså, at de havde et materiale, der kunne teste symmetri -teorien.

Sikrere systemer; Hurtigere skift

Bortset fra videnskabelig opdagelse, disse nyeste forskningsresultater præsenterer også potentialet for at kontrollere antiferromagnetisme for mere sikre og effektive enheder.

Som Liu forklarede, de fleste aktuelle magnetiske enheder er baseret på ferromagnetiske materialer.

"Imidlertid, vi er ved at nå grænsen for ferromagnets ydeevne, "sagde han." Vi skal finde en anden måde at overvinde den tekniske barriere. Antiferromagnetisme giver en anden mulighed. For eksempel, antiferromagnetiske materialer har dette anti-justerede spin. Så hvis du ser på en antiferromagnet, der er ikke noget magnetfelt omkring det. Det fremstår faktisk for dig som ikke anderledes end et materiale, der ikke er magnetisk, fordi de kompenserer hinanden fuldt ud. "

Hvad det betyder, han fortsatte, er, at vi ikke ønsker, at bitene i vores computers harddisk kommer for tæt på hinanden, fordi hver bit er en ferromagnet. Dette begrænser tætheden af ​​informationslageret.

"Hvis nu bitene er antiferromagnetiske, de vil være magnetisk usynlige for hinanden, og du kan pakke dem lige ved siden af ​​hinanden, "sagde han." Lagerkapaciteten vil i det væsentlige stige dramatisk. "

En anden mulig fordel er mere effektiv omskiftning af enheder.

Liu sagde, at det er en langsom og energikostig proces at skifte spin op og ned i ferromagnetik, fordi vi er nødt til at vende dets magnetfelt om på en makroskopisk skala. Med de anti-justerede spins i antiferromagneter under den skjulte symmetri, han sagde, "det viser ikke noget magnetfelt, og vi skal bare bruge en lille smule energi til at tænde og slukke for den eller rotere den. Mængden af ​​energi, som vi putter i systemet, er meget lille i forhold til den selv-anti-justeringsenergi, men spinnene reagerer stadig øjeblikkeligt, og det gør skifteprocessen meget hurtigere. "

Betydningen af ​​samarbejde og investeringer

De første resultater var meget opmuntrende, men det eksperimentelle team ønskede yderligere kontrol.

"I begyndelsen kunne vi ikke tro, hvad vi så, fordi virkningerne var virkelig stærke, og mængden af ​​energi, du putter i systemet, er en tusindedel af (dens) interne energi, forklarede han. "Det lyder næsten for godt til at være sandt."

Til validering, de tog deres spørgsmål til UT Physics Professor (og Lincoln Chair) Cristian Batista, en teoretiker inden for kondenseret fysik.

"Han guidede os gennem alle teoriens detaljer, og han kom med forklaringen:ikke kun kvalitativt, men faktisk kvantitativt, "Liu sagde." Han lavede simuleringen og fandt ud af, at alt perfekt faldt ind i kravene til den teori om skjult symmetri. "

Resultaterne blev offentliggjort i Naturfysik .