Hall-effekten afslører skjult symmetri i spin-is

Det lykkedes fysikere fra University of Augsburg at skelne chirale ordener med lignende magnetisering, men en modsat rotationssans gennem elektriske målinger ved lave temperaturer. Dette er relevant for grundlæggende forskning i komplekse magneter og mulige anvendelser til magnetisk datalagring. Resultaterne blev offentliggjort i Nature Physics .

Elektriske strømme og magnetiske kræfter er direkte forbundet med hinanden:Strømførende kabler skaber et cirkulært magnetfelt og omvendt afbøjer et magnetfelt elektrisk ladede partikler vinkelret på strømmen og på feltretningen. Sidstnævnte fænomen kaldes "Hall-effekten" til ære for dets opfinder Edwin Hall.

Hall-effekten bruges til at undersøge elektriske og magnetiske egenskaber af metaller. Den "normale Hall-effekt" giver os mulighed for at bestemme koncentrationen af ​​opladerbærere og deres mobilitet, mens et yderligere bidrag mærket "unormal Hall-effekt" opstår i magneter.

På Institut for Fysik ved Universitetet i Augsburg har man nu fundet ud af, at den unormale Hall-effekt kunne afsløre en skjult symmetri. "På trods af en ens magnetisering viser to tilstande tydeligt forskellige unormale Hall-signaler, en overraskende og slående observation," forklarer Philipp Gegenwart, professor i eksperimentel fysik.

Højre- og venstrecirkulerende magnetisk mønster

Undersøgelserne blev udført med det magnetiske metal HoAgGe, som har specielle magnetiske egenskaber, som blev opdaget for fire år siden af ​​holdet af prof. Gegenwart. Materialet har en trekantet konfiguration af atomare elektronspin af Holmium-atomer.

Da det er umuligt samtidigt at opfylde alle de parvise interaktioner på hver trekant, opstår en magnetisk frustreret tilstand. Den har flere energisk degenererede konfigurationer pr. trekant og kaldes Kagome spin ice. Spindene er placeret ved kanterne af hjørnedelte trekanter, der ligner flettede japanske "Kagome"-kurve. Lignende regler, der gælder for vandis bestemmer de mulige konfigurationer af de magnetiske momenter.

I modsætning til almindelige magneter er de magnetiske momenter i Kagome spin-is ikke justeret i én retning, men adlyder snarere et komplekst chiralt mønster, det vil sige med en forskellig rotationssans. De er skabt i et påført magnetfelt ved lave temperaturer og har fraktionaliserede magnetiseringsplateauer ved værdier på 1/3 og 2/3. Figuren ovenfor viser to af disse mønstre med ens energi og hver 1/3 af mætningsmagnetiseringen.

Muligt program til datalagring

Undersøgelsen af ​​forskergruppen ved Universitetet i Augsburg undersøgte og analyserede systematisk den unormale Hall-effekt ved lave temperaturer. Overraskende nok blev der fundet forskellige værdier af den unormale Hall-effekt for de to mønstre med 1/3 magnetisering, synlige som røde og sorte kurver i plottet i figuren ovenfor.

Modellering af dataene afslørede en underliggende unik skjult symmetri:Kombinationen af ​​en 180° rotation og en forvrængningsvending er påkrævet for at transformere et mønster til det andet. Ledningselektroner, der spredes fra de to forskellige mønstre, resulterer i forskellige krumninger af fasen af ​​deres bølgefunktioner, og dette fører til en forskel i den unormale Hall-effekt på trods af en lignende energi og magnetisering af de to forskellige mønstre.

Mere generelt indikerer denne observation et nyt potentiale for målinger af den unormale Hall-effekt i magnetisk frustrerede metaller og for at afdække skjult symmetri og tilstande gennem elektriske målinger. "Dette kan også være interessant med hensyn til permanent magnetisk datalagring i mindste atomare skala," siger Gegenwart. Dette kræver dog lokal adressering og selektiv omskiftning af sansen for rotationen af ​​disse mønstre.

Flere oplysninger: K. Zhao et al., Diskrete degenerationer kendetegnet ved den unormale Hall-effekt i en metallisk kagome-isforbindelse, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02307-w

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af University of Augsburg