Altermagnetisme eksperimentelt demonstreret

Ferromagnetisme og antiferromagnetisme har længe været kendt af videnskabsmænd som to klasser af magnetisk rækkefølge af materialer. Tilbage i 2019 postulerede forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) en tredje klasse af magnetisme, kaldet altermagnetisme. Denne altermagnetisme har været genstand for heftig debat blandt eksperter lige siden, hvor nogle har udtrykt tvivl om dens eksistens.

For nylig var et hold af eksperimentelle forskere ledet af professor Hans-Joachim Elmers ved JGU i stand til for første gang på DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) at måle en effekt, der anses for at være en signatur på altermagnetisme, og dermed give bevis for eksistensen af denne tredje type magnetisme. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Science Advances .

Altermagnetisme:En ny magnetisk fase

Mens ferromagneter, som vi alle kender fra køleskabsmagneter, har alle deres magnetiske momenter justeret i samme retning, har antiferromagneter vekslende magnetiske momenter. På det makroskopiske niveau ophæver antiferromagneternes magnetiske momenter således hinanden, så der er ikke noget eksternt magnetfelt – hvilket ville få køleskabsmagneter lavet af dette materiale til simpelthen at falde ned fra køleskabsdøren.

De magnetiske momenter i altermagneter adskiller sig i den måde, de er orienteret på. "Altermagneter kombinerer fordelene ved ferromagneter og antiferromagneter. Deres nabomagnetiske momenter er altid antiparallelle med hinanden, som i antiferromagneter, så der er ingen makroskopisk magnetisk effekt, men på samme tid udviser de en spin-polariseret strøm - ligesom i antiferromagneter. ferromagneter," forklarede professor Hans-Joachim Elmers, leder af Magnetisme-gruppen på JGU's Institut for Fysik.

Bevæger sig i samme retning med ensartet spin

Elektriske strømme genererer normalt magnetiske felter. Men hvis man betragter en altermagnet som en helhed, der integrerer spin-polariseringen i de elektroniske bånd i alle retninger, bliver det tydeligt, at magnetfeltet skal være nul på trods af den spin-polariserede strøm. Hvis opmærksomheden på den anden side er begrænset til de elektroner, der bevæger sig i en bestemt retning, er konklusionen, at de skal have et ensartet spin.

"Dette tilpasningsfænomen har intet at gøre med rumlige arrangementer eller hvor elektronerne er placeret, men kun med retningen af ​​elektronhastigheden," tilføjede Elmers. Da hastighed (v) gange masse (M) er lig med momentum (P), bruger fysikere udtrykket "momentumrum" i denne sammenhæng. Denne effekt blev tidligere forudsagt af teoretiske grupper ved JGU ledet af professor Jairo Sinova og Dr. Libor Šmejkal.

Bevis opnået ved hjælp af momentumelektronmikroskopi

"Vores team var det første, der eksperimentelt verificerede effekten," sagde Elmers. Forskerne brugte et specielt tilpasset momentummikroskop. Til deres eksperiment udsatte holdet et tyndt lag rutheniumdioxid for røntgenstråler. Den resulterende excitation af elektronerne var tilstrækkelig til deres emission fra rutheniumdioxidlaget og deres påvisning.

Ud fra hastighedsfordelingen var forskerne i stand til at bestemme hastigheden af ​​elektronerne i rutheniumdioxiden. Og ved at bruge cirkulært polariserede røntgenstråler var de endda i stand til at udlede spin-retningerne.

For deres momentummikroskop ændrede forskerne det brændplan, der normalt bruges til observation i standard elektronmikroskoper. I stedet for et forstørret billede af overfladen af ​​rutheniumoxidfilmen viste deres detektor en repræsentation af momentumrum.

"Forskellige momentum vises på forskellige positioner på detektoren. Mere enkelt sagt er de forskellige retninger, hvori elektronerne bevæger sig i et lag, repræsenteret af tilsvarende prikker på detektoren," sagde Elmers.

Altermagnetisme kan også være relevant for spintronik. Dette ville involvere at bruge elektronernes magnetiske moment i stedet for deres ladning i dynamisk tilfældig adgangshukommelse. Som følge heraf kan lagerkapaciteten øges betydeligt.

"Vores resultater kunne være løsningen på, hvad der er en stor udfordring inden for spintronics," foreslog Elmers. "Hvis man udnytter potentialet i altermagneter, vil det gøre det lettere at læse lagret information baseret på spinpolariseringen i de elektroniske bånd."

Flere oplysninger: Olena Fedchenko et al., Observation af tids-reverseringssymmetribrud i båndstrukturen af ​​altermagnetisk RuO 2, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4883

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Johannes Gutenberg University Mainz