Altermagnetisme:En ny type magnetisme med brede implikationer for teknologi og forskning

Der er nu en ny tilføjelse til den magnetiske familie:Takket være eksperimenter ved den schweiziske lyskilde SLS har forskere bevist eksistensen af ​​altermagnetisme. Den eksperimentelle opdagelse af denne nye gren af ​​magnetisme er rapporteret i Nature og betyder ny fundamental fysik, med store implikationer for spintronik.

Magnetisme er meget mere end bare ting, der klæber til køleskabet. Denne forståelse kom med opdagelsen af ​​antiferromagneter for næsten et århundrede siden. Siden da er familien af ​​magnetiske materialer blevet opdelt i to grundlæggende faser:den ferromagnetiske gren kendt i flere årtusinder og den antiferromagnetiske gren.

Det eksperimentelle bevis på en tredje gren af ​​magnetisme, kaldet altermagnetisme, blev lavet ved Swiss Light Source SLS, af et internationalt samarbejde ledet af det tjekkiske videnskabsakademi sammen med Paul Scherrer Institute PSI.

De fundamentale magnetiske faser er defineret af de specifikke spontane arrangementer af magnetiske momenter – eller elektronspin – og af atomer, der bærer momenterne i krystaller.

Ferromagneter er den type magneter, der klæber til køleskabet:her peger spins i samme retning, hvilket giver makroskopisk magnetisme. I antiferromagnetiske materialer peger spins i skiftende retninger, med det resultat, at materialerne ikke har nogen makroskopisk netmagnetisering - og dermed ikke klæber til køleskabet. Selvom andre typer magnetisme, såsom diamagnetisme og paramagnetisme er blevet kategoriseret, beskriver disse specifikke reaktioner på eksternt påførte magnetiske felter snarere end spontane magnetiske ordener i materialer.

Altermagneter har en speciel kombination af arrangementet af spins og krystalsymmetrier. Spinsene veksler, som i antiferromagneter, hvilket resulterer i ingen nettomagnetisering. Men i stedet for blot at ophæve, giver symmetrierne en elektronisk båndstruktur med stærk spin-polarisering, der vender i retning, når du passerer gennem materialets energibånd – deraf navnet altermagneter. Dette resulterer i meget nyttige egenskaber, der minder mere om ferromagneter, samt nogle helt nye egenskaber.

En ny og nyttig søskende

Denne tredje magnetiske søskende byder på tydelige fordele for udviklingen inden for næste generation af magnetisk hukommelsesteknologi, kendt som spintronics. Mens elektronik kun gør brug af elektronernes ladning, udnytter spintronics også elektronernes spin-tilstand til at bære information.

Selvom spintronics i nogle år har lovet at revolutionere IT, er det stadig i sin vorden. Typisk er ferromagneter blevet brugt til sådanne enheder, da de tilbyder visse yderst ønskelige stærke spin-afhængige fysiske fænomener. Alligevel udgør den makroskopiske netmagnetisering, der er nyttig i så mange andre applikationer, praktiske begrænsninger for skalerbarheden af ​​disse enheder, da den forårsager krydstale mellem bits - de informationsbærende elementer i datalagring.

For nylig er antiferromagneter blevet undersøgt for spintronics, da de drager fordel af at have ingen nettomagnetisering og dermed tilbyder ultra-skalerbarhed og energieffektivitet. Men de stærke spin-afhængige effekter, der er så nyttige i ferromagneter, mangler, hvilket igen hindrer deres praktiske anvendelighed.

Her indtastes altermagneter med det bedste af begge:nul netto magnetisering sammen med de eftertragtede stærke spin-afhængige fænomener, der typisk findes i ferromagneter - fordele, der blev betragtet som principielt uforenelige.

"Det er magien ved altermagneter," siger Tomáš Jungwirth fra Institut for Fysik ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi, hovedforsker af undersøgelsen. "Noget, som folk troede var umuligt, indtil de seneste teoretiske forudsigelser [viste det] faktisk er muligt."

Søgningen er aktiveret

Mumlen om, at en ny type magnetisme lå på lur, begyndte for ikke så længe siden:I 2019 identificerede Jungwirth sammen med teoretiske kolleger ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi og University of Mainz en klasse af magnetiske materialer med en spinstruktur, der ikke passede ind i de klassiske beskrivelser af ferromagnetisme eller antiferromagnetisme.

I 2022 offentliggjorde teoretikerne deres forudsigelser om eksistensen af ​​altermagnetisme. De afslørede mere end to hundrede altermagnetiske kandidater i materialer lige fra isolatorer og halvledere til metaller og superledere. Mange af disse materialer har været velkendte og grundigt udforsket i fortiden uden at bemærke deres altermagnetiske natur. På grund af de enorme forsknings- og anvendelsesmuligheder, som altermagnetisme udgør, vakte disse forudsigelser stor begejstring i samfundet. Søgningen var i gang.

Røntgenstråler giver beviset

At opnå direkte eksperimentelt bevis for altermagnetismens eksistens krævede demonstration af de unikke spinsymmetriegenskaber forudsagt i altermagneter. Beviset kom ved hjælp af spin- og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi ved SIS (COPHEE-endestationen) og ADRESS-strålelinjer i SLS. Denne teknik gjorde det muligt for teamet at visualisere en afslørende funktion i den elektroniske struktur af en formodet altermagnet:opsplitning af elektroniske bånd svarende til forskellige spin-tilstande, kendt som ophævelsen af ​​Kramers spindegeneration.

Opdagelsen blev gjort i krystaller af mangan tellurid, et velkendt simpelt to-element materiale. Traditionelt er materialet blevet betragtet som en klassisk antiferromagnet, fordi de magnetiske momenter på tilstødende manganatomer peger i modsatte retninger og genererer en forsvindende netmagnetisering.

Antiferromagneter bør dog ikke udvise løftet Kramers spindegeneration af den magnetiske orden, hvorimod ferromagneter eller altermagneter bør. Da forskerne så ophævelsen af ​​Kramers spindegeneration, ledsaget af den forsvindende netmagnetisering, vidste de, at de så på en altermagnet.

"Takket være den høje præcision og følsomhed af vores målinger kunne vi detektere den karakteristiske vekslende opsplitning af energiniveauerne svarende til modsatte spin-tilstande og dermed demonstrere, at mangantellurid hverken er en konventionel antiferromagnet eller en konventionel ferromagnet, men tilhører den nye altermagnetiske gren. af magnetiske materialer," siger Juraj Krempasky, beamline-forsker i Beamline Optics Group ved PSI og førsteforfatter af undersøgelsen.

Strålelinjerne, der muliggjorde denne opdagelse, er nu adskilt og afventer SLS 2.0-opgraderingen. Efter tyve års succesfuld videnskab vil COPHEE-endestationen blive fuldstændig integreret i den nye "QUEST"-strålelinje. "Det var med de sidste lysfotoner på COPHEE, at vi lavede disse eksperimenter. At de gav et så vigtigt videnskabeligt gennembrud er meget følelsesladet for os," tilføjer Krempasky.

"Nu hvor vi har bragt det frem i lyset, vil mange mennesker rundt om i verden være i stand til at arbejde på det."

Forskerne mener, at denne nye fundamentale opdagelse inden for magnetisme vil berige vores forståelse af kondenseret stofs fysik med indvirkning på tværs af forskellige forsknings- og teknologiområder. Ud over dets fordele for det udviklende område af spintronik tilbyder den også en lovende platform til at udforske ukonventionel superledning gennem ny indsigt i superledende tilstande, der kan opstå i forskellige magnetiske materialer.

"Altermagnetisme er faktisk ikke noget enormt kompliceret. Det er noget helt fundamentalt, der var foran vores øjne i årtier uden at bemærke det," siger Jungwirth. "Og det er ikke noget, der kun findes i nogle få uklare materialer. Det findes i mange krystaller, som folk simpelthen havde i deres skuffer. På den måde, nu hvor vi har bragt det frem i lyset, vil mange mennesker rundt om i verden kunne arbejde på det, hvilket giver mulighed for en bred effekt."

Flere oplysninger: Juraj Krempaský, Altermagnetisk løft af Kramers spindegeneration, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06907-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Paul Scherrer Institute