Informationstransport i antiferromagneter via pseudospin-magnoner

Et team af forskere fra det tekniske universitet i München, Walther-Meissner-instituttet for det bayerske akademi for videnskaber og humaniora, og det norske universitet for videnskab og teknologi i Trondheim har opdaget en spændende metode til at kontrollere spin båret af kvantiserede spin-bølge excitationer i antiferromagnetiske isolatorer.

Elementære partikler bærer et iboende vinkelmomentum kendt som deres spin. For en elektron, spindet kan kun tage to bestemte værdier i forhold til en kvantiseringsakse, lad os betegne dem som spin-up og spin-down elektroner. Denne iboende to-værdi af elektronspin er kernen i mange fascinerende effekter i fysik.

I dagens informationsteknologi, en elektrons spin og det tilhørende magnetiske momentum udnyttes i anvendelser af informationslagring og udlæsning af magnetiske medier, som harddiske og magnetbånd.

Antiferromagneter:fremtidige stjerner i magnetisk datalagring?

Begge, lagringsmediet og udlæsningssensorerne bruger ferromagnetisk ordnede materialer, hvor alle magnetiske momenter flugter parallelt. Imidlertid, øjeblikket kan orientere sig på en mere kompleks måde. I antiferromagneter, antagonisten til en ferromagnet, naboøjeblikke flugter på en anti-parallel måde. Mens disse systemer ser "ikke-magnetiske" ud udefra, de har tiltrukket sig bred opmærksomhed, da de lover robusthed mod eksterne magnetfelter og hurtigere kontrol. Dermed, de betragtes som de nye børn på blokken til applikationer inden for magnetisk lagring og ukonventionel databehandling.

Et vigtigt spørgsmål i denne sammenhæng er, om og hvordan information kan transporteres og detekteres i antiferromagneter. Forskere ved det tekniske universitet i München, Walther-Meissner-instituttet og Norges Tekniske Universitet i Trondheim studerede den antiferromagnetiske isolator hæmatit i denne henseende.

I dette system, ladningsbærere er fraværende, og det er derfor et særligt interessant teststed for undersøgelse af nye applikationer, hvor man sigter mod at undgå dissipation ved en endelig elektrisk modstand. Forskerne opdagede en ny effekt, der er unik for transport af antiferromagnetiske excitationer, hvilket åbner op for nye muligheder for informationsbehandling med antiferromagneter.

Slip pseudospin løs i antiferromagneter

Dr. Matthias Althammer, den ledende forsker på projektet beskriver effekten som følger:"I den antiferromagnetiske fase, tilstødende spins justeres på en anti-parallel måde. Imidlertid, der er kvantificerede excitationer kaldet magnoner. Disse har information kodet i deres spin og kan forplante sig i systemet. På grund af de to antiparallel-koblede spin-arter i antiferromagneten er excitationen af ​​kompleks karakter, imidlertid, dens egenskaber kan støbes i et effektivt spin, et pseudospin. Vi kunne eksperimentelt demonstrere, at vi kan manipulere dette pseudospin, og dets udbredelse med et magnetfelt."

Dr. Akashdeep Kamra, den ledende teoretiker fra NTNU i Trondheim tilføjer, at "denne kortlægning af excitationerne af en antiferromagnet på et pseudospin muliggør en forståelse og en kraftfuld tilgang, som har været det afgørende grundlag for behandling af transportfænomener i elektroniske systemer. I vores tilfælde, dette gør os i stand til at beskrive dynamikken i systemet på en meget lettere måde, men stadig opretholde en fuld kvantitativ beskrivelse af systemet. Mest vigtigt, eksperimenterne giver et proof-of-concept for pseudospin, et koncept, der er tæt forbundet med fundamental kvantemekanik."

Frigør det fulde potentiale af antiferromagnetiske magnoner

Denne første eksperimentelle demonstration af magnon-pseudospin-dynamik i en antiferromagnetisk isolator bekræfter ikke kun de teoretiske formodninger om magnon-transport i antiferromagneter, men giver også en eksperimentel platform til at ekspandere mod rige elektronik-inspirerede fænomener.

"Vi er muligvis i stand til at realisere fascinerende nye ting såsom magnon-analogen af ​​en topologisk isolator i antiferromagnetiske materialer" påpeger Rudolf Gross, direktør for Walther-Meissner-instituttet, Professor i teknisk fysik (E23) ved det tekniske universitet i München og medtaler for cluster of excellence Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST). "Vores arbejde giver et spændende perspektiv for kvanteapplikationer baseret på magnoner i antiferromagneter"