Forskere opdager krystal, der udviser eksotisk spiralmagnetisme

En eksotisk form for magnetisme er blevet opdaget og knyttet til en lige så eksotisk type elektroner, ifølge forskere, der har analyseret en ny krystal, hvor de vises på National Institute of Standards and Technology (NIST). Magnetismen skabes og beskyttes af krystalets unikke elektroniske struktur, tilbyder en mekanisme, der kan udnyttes hurtigt, robuste informationslagerenheder.

Det nyopfundne materiale har en usædvanlig struktur, der leder elektricitet, men får de flydende elektroner til at opføre sig som masseløse partikler, hvis magnetisme er knyttet til deres bevægelsesretning. I andre materialer, sådanne Weyl -elektroner har fremkaldt ny adfærd relateret til elektrisk ledningsevne. I dette tilfælde, imidlertid, elektronerne fremmer spontan dannelse af en magnetisk spiral.

"Vores forskning viser et sjældent eksempel på, at disse partikler driver kollektiv magnetisme, "sagde Collin Broholm, en fysiker ved Johns Hopkins University, der ledede det eksperimentelle arbejde ved NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Vores eksperiment illustrerer en unik form for magnetisme, der kan opstå fra Weyl -elektroner."

Fundene, som vises i Naturmaterialer , afsløre et komplekst forhold mellem materialet, elektronerne, der strømmer igennem den som strøm, og den magnetisme, materialet udviser.

I en køleskabsmagnet, vi forestiller os undertiden hvert af dets jernatomer som en stangmagnet, der gennemborer det med sin "nordpol", der peger i en bestemt retning. Dette billede refererer til atomernes spinorienteringer, som står parallelt. Det materiale, teamet studerede, er anderledes. Det er en "halvmetal" lavet af silicium og metallerne aluminium og neodym. Tilsammen danner disse tre elementer en krystal, hvilket indebærer, at dets komponentatomer er arrangeret i et regelmæssigt gentaget mønster. Imidlertid, det er en krystal, der bryder inversionssymmetri, hvilket betyder, at det gentagende mønster er anderledes på den ene side af en krystal enhedsceller - den mindste byggesten i et krystalgitter - end den anden. Dette arrangement stabiliserer elektronerne, der strømmer gennem krystallen, som igen driver usædvanlig adfærd i sin magnetisme.

Elektronernes stabilitet viser sig som en ensartethed i retning af deres spins. I de fleste materialer, der leder elektricitet, såsom kobbertråd, elektronerne, der strømmer gennem tråden, har spins, der peger i tilfældige retninger. Ikke sådan i semimetalen, hvis brudte symmetri omdanner de flydende elektroner til Weyl -elektroner, hvis spins er orienteret enten i den retning, elektronen bevæger sig eller i den modsatte retning. Det er denne låsning af Weyl -elektronernes spins til deres bevægelsesretning - deres momentum - der forårsager halvmetallets sjældne magnetiske adfærd.

Materialets tre typer atomer leder alle elektricitet, tilvejebringelse af træsten til elektroner, når de hopper fra atom til atom. Imidlertid, kun neodymium (Nd) atomer udviser magnetisme. De er modtagelige for påvirkning af Weyl -elektronerne, som skubber Nd -atomet på en mærkelig måde. Se langs enhver række af Nd -atomer, der strækker sig diagonalt gennem halvmetallet, og du vil se, hvad forskergruppen omtaler som en "spin -spiral."

"En forenklet måde at forestille sig det er det første Nd -atoms spin -point til klokken 12, derefter den næste til 4 -tiden, derefter den tredje til 8 -tiden, ”Sagde Broholm.” Så gentager mønsteret sig. Denne smukke spin -tekstur er drevet af Weyl -elektronerne, når de besøger tilstødende Nd -atomer. "

Det krævede et samarbejde mellem mange grupper inden for Institute for Quantum Matter ved Johns Hopkins University for at afsløre den særlige magnetisme, der opstår i krystallen. Det omfattede grupper, der arbejdede med krystalsyntese, sofistikerede numeriske beregninger og neutronspredningsforsøg.

"For neutronspredning, vi havde stor fordel af den omfattende mængde neutrondiffraktionstråletid, der var tilgængelig for os på NIST Center for Neutron Research, "sagde Jonathan Gaudet, en af ​​papirets medforfattere. "Uden stråletid, vi ville have savnet denne smukke nye fysik. "

Hver sløjfe i spinspiralen er ca. 150 nanometer lang, og spiralerne vises kun ved kolde temperaturer under 7 K. Broholm sagde, at der er materialer med lignende fysiske egenskaber, der fungerer ved stuetemperatur, og at de kan udnyttes til at skabe effektive magnetiske hukommelsesenheder.

"Magnetisk hukommelsesteknologi som harddiske kræver normalt, at du opretter et magnetfelt, så de kan fungere, "sagde han." Med denne klasse materialer, du kan gemme oplysninger uden at skulle anvende eller registrere et magnetfelt. At læse og skrive oplysningerne elektrisk er hurtigere og mere robust. "

At forstå de virkninger, som Weyl -elektronerne driver, kan også kaste lys over andre materialer, der har bragt forfærdelse hos fysikere.

"Grundlæggende vi er muligvis i stand til at skabe en række materialer, der har forskellige interne spin -egenskaber - og måske har vi allerede, "Sagde Broholm." Som et fællesskab, vi har skabt mange magnetiske strukturer, vi ikke umiddelbart forstår. Efter at have set den særlige karakter af Weyl-medieret magnetisme, vi kan endelig være i stand til at forstå og bruge sådanne eksotiske magnetiske strukturer. "