Nærmer sig den magnetiske singularitet

I mange materialer, elektrisk modstand og spændingsændring i nærvær af et magnetfelt, varierer normalt jævnt, når magnetfeltet roterer. Denne enkle magnetiske respons ligger til grund for mange applikationer, herunder kontaktløs strømføling, bevægelsesføling, og datalagring. I en krystal, den måde, ladningen og spin af dets elektroner justerer og interagerer, ligger til grund for disse effekter. Udnytter karakteren af ​​justeringen, kaldet symmetri, er en nøgleingrediens i design af et funktionelt materiale til elektronik og det nye område af spin-baseret elektronik (spintronics).

For nylig har et team af forskere fra MIT, det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) og École Normale Supérieure (ENS) de Lyon, University of California i Santa Barbara (UCSB), Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), og NIST Center for Neutronforskning, ledet af Joseph G. Checkelsky, assisterende professor i fysik ved MIT, har opdaget en ny type magnetisk drevet elektrisk respons i en krystal bestående af cerium, aluminium, germanium, og silicium.

Ved temperaturer under 5,6 kelvin (svarende til -449,6 grader Fahrenheit), disse krystaller viser en skarp forbedring af elektrisk resistivitet, når det magnetiske felt er præcist justeret inden for en vinkel på 1 grad langs krystallens højsymmetriretning. Denne effekt, som forskerne har navngivet "enkelt vinkelmagnetoresistens, "kan tilskrives symmetrien - især, rækkefølgen af ​​cerium atomernes magnetiske momenter. Deres resultater er offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab .

Ny respons og symmetri

Som et gammeldags ur designet til at ringe klokken 12:00 og ikke uden nogen anden position af viserne, den nyligt opdagede magnetoresistens opstår kun, når retningen, eller vektor, af magnetfeltet peger lige på linje med højsymmetriaksen i materialets krystalstruktur. Drej magnetfeltet mere end en grad væk fra den akse, og modstanden falder brat.

"I stedet for at reagere på de individuelle komponenter i det magnetiske felt som et traditionelt materiale, her reagerer materialet på den absolutte vektorretning, " siger Takehito Suzuki, en forsker i Checkelsky-gruppen, der syntetiserede disse materialer og opdagede effekten. "Den observerede skarpe forbedring, som vi kalder singular vinkelmagnetoresistens, indebærer en særskilt tilstand, der kun realiseres under disse betingelser."

Magnetoresistens er en ændring i den elektriske modstand af et materiale som reaktion på et påført magnetfelt. En relateret effekt kendt som gigantisk magnetoresistens er grundlaget for moderne computerharddiske, og dens opdagere blev tildelt Nobelprisen i 2007.

"Den observerede forbedring er så stærkt begrænset til det magnetiske felt langs den krystallinske akse i dette materiale, at det stærkt antyder, at symmetri spiller en kritisk rolle, " Lucile Savary, fast CNRS-forsker ved ENS de Lyon, tilføjer. Savary var Betty og Gordon Moore postdoc ved MIT fra 2014-17, da holdet begyndte at samarbejde.

For at belyse symmetriens rolle, det er afgørende at se justeringen af ​​de magnetiske momenter, for hvilket Suzuki og Jeffrey Lynn, NIST fyr, udførte pulverneutrondiffraktionsundersøgelser på BT-7 tredobbelt akse spektrometer ved NIST Center for Neutron Research (NCNR). Forskerholdet brugte NCNR's neutrondiffraktionsevner til at bestemme materialets magnetiske struktur, som spiller en væsentlig rolle i forståelsen af ​​dets topologiske egenskaber og karakter af de magnetiske domæner. En "topologisk tilstand" er en, der er beskyttet mod almindelig lidelse. Dette var en nøglefaktor i at optrevle mekanismen for den enestående respons.

Baseret på det observerede bestillingsmønster, Savary og Leon Balents, professor og fast medlem af Kavli Institut for Teoretisk Fysik ved UCSB, konstrueret en teoretisk model, hvor den spontane symmetribrud forårsaget af den magnetiske-moment bestilling kobles til magnetfeltet og den topologiske elektroniske struktur. Som en konsekvens af koblingen, skift mellem de ensartet ordnede lav- og højresistivitetstilstande kan manipuleres ved den præcise kontrol af magnetfeltretningen.

"Modellens overensstemmelse med de eksperimentelle resultater er enestående og var nøglen til at forstå, hvad der var en mystisk eksperimentel observation, " siger Checkelsky, avisens seniorforfatter.

Universalitet af fænomenet

"Det interessante spørgsmål her er, hvorvidt den enestående vinkelmagnetoresistens kan observeres bredt i magnetiske materialer og, hvis denne funktion kan observeres allestedsnærværende, hvad er nøgleingrediensen til at konstruere materialerne med denne effekt, " siger Suzuki.

Den teoretiske model indikerer, at den enestående respons faktisk kan findes i andre materialer og forudsiger materialeegenskaber, der er gavnlige for at realisere denne funktion. En af de vigtige ingredienser er en elektronisk struktur med et lille antal gratis opkrævninger, som forekommer i en punktlignende elektronisk struktur kaldet nodal. Materialet i denne undersøgelse har såkaldte Weyl-point, der opnår dette. I sådanne materialer, det tilladte elektronmoment afhænger af konfigurationen af ​​den magnetiske orden. En sådan styring af momenta af disse ladninger ved hjælp af den magnetiske frihedsgrad gør det muligt for systemet at understøtte omskiftelige grænsefladeområder, hvor momentaerne er uoverensstemmende mellem domæner af forskellig magnetisk orden. Dette misforhold fører også til den store stigning i resistens observeret i denne undersøgelse.

Denne analyse understøttes yderligere af den elektroniske strukturberegning med de første principper udført af Jianpeng Liu, forskningsassistent ved HKUST, og Balenter. Ved at bruge mere traditionelle magnetiske elementer som jern eller kobolt, snarere end sjældne jordarters cerium, kan tilbyde en potentiel vej til højere temperaturobservation af den enestående vinkelmagnetoresistenseffekt. Undersøgelsen udelukkede også en ændring i arrangementet af atomerne, kaldet en strukturel faseovergang, som en årsag til ændringen i resistiviteten af ​​det cerium-baserede materiale.

Kenneth Burch, kandidatprogramleder og lektor i fysik ved Boston College, hvis laboratorium undersøger Weyl-materialer, bemærker:"Opdagelsen af ​​bemærkelsesværdig følsomhed over for magnetiske vinkler er et fuldstændigt uventet fænomen i denne nye klasse af materialer. Dette resultat antyder ikke kun nye anvendelser af Weyl-halvmetaller i magnetisk sansning, men den unikke kobling af elektronisk transport, chiralitet og magnetisme." Kiralitet er et aspekt af elektroner relateret til deres spin, der giver dem enten en venstrehånds- eller højrehåndsorientering.

Opdagelsen af ​​denne skarpe, men snævert afgrænsede modstandstop kunne i sidste ende blive brugt af ingeniører som et nyt paradigme for magnetiske sensorer. Bemærkninger Checkelsky, "En af de spændende ting ved fundamentale opdagelser inden for magnetisme er potentialet for hurtige adoptioner for nye teknologier. Med designprincipperne nu i hånden, vi kaster et bredt net ud for at finde dette fænomen i mere robuste systemer for at frigøre dette potentiale."