Altermagneter:Et nyt kapitel i magnetisme og termisk videnskab

I en ny undersøgelse har forskere undersøgt den nyopdagede klasse af altermagnetiske materialer for deres termiske egenskaber, hvilket giver indsigt i altermagneters karakteristiske karakter til spin-kaloritroniske applikationer.

Magnetisme er et gammelt og velundersøgt emne, der egner sig til mange applikationer, såsom motorer og transformere. Men nye magnetiske materialer og fænomener bliver undersøgt og opdaget, hvoraf en er altermagneter.

Altermagneter udviser en unik blanding af magnetiske egenskaber, der adskiller dem fra konventionelle magnetiske materialer som ferromagneter og antiferromagneter. Disse materialer udviser egenskaber observeret i både ferromagneter og antiferromagneter, hvilket gør deres undersøgelse tillokkende.

Den aktuelle forskning, offentliggjort i Physical Review Letters , udforsker de termiske egenskaber ved altermagneter og blev ledet af prof. Wanxiang Feng og prof. Yugui Yao fra Beijing Institute of Technology.

Når vi taler om deres motivation bag at udforske altermagneter, fortalte prof. Feng til Phys.org:"Magnetisme er et ældgammelt og fascinerende emne inden for faststoffysik. Mens vi udforskede ikke-kollineære magneter i løbet af de sidste årtier, stødte vi på en ny type collineær magnet, altermagneten."

Prof. Yao tilføjede:"Med en dobbelt natur, der ligner både ferromagneter og antiferromagneter, fascinerede altermagneter os med potentialet for nye fysiske effekter. Vores motivation stammede fra ønsket om at forstå og låse op for de unikke egenskaber ved disse magnetiske materialer."

Fremkomsten af ​​magnetisme

Magnetiske egenskaber fremkommer af atomers opførsel, især arrangementet og bevægelsen af ​​elektroner i et materiale.

"I magnetiske materialer, på grund af udvekslingsinteraktionen mellem atomer, arrangerer de spinmagnetiske momenter parallelt eller antiparallelt, og danner de mest almindelige henholdsvis ferromagneter og antiferromagneter, som er blevet undersøgt i over et århundrede," forklarede prof. Feng.

Altermagneter trodser konventionelle normer ved at inkorporere en dobbelt natur – der ligner antiferromagneter med nul nettomagnetisering og ferromagneter med ikke-relativistisk spin-splitning.

I altermagneter kombineres kollineær antiparallel magnetisk rækkefølge med ikke-relativistisk spinopdeling, hvilket resulterer i nul nettomagnetisering, der ligner antiferromagneter og ferromagnetisk spindynamik samtidigt.

Denne unikke adfærd opstår fra det indviklede samspil mellem atomer i krystalstrukturen. For eksempel viser rutheniumdioxid, emnet for denne forskning, spindegeneration induceret af ikke-magnetiske iltatomer, der bryder rumlige og tidssymmetrier. Dette fører til materialets unikke magnetiske egenskaber.

Derudover udviser altermagneter en unik spinpolarisering. Udtrykket "spin-polarisering" betyder, at en overvægt af elektronspin har tendens til at flugte i en bestemt retning.

Spin-polariseringen er bemærkelsesværdig i altermagneter, fordi den forekommer i det fysiske arrangement af atomer (det reelle rum) og i momentumrummet, hvor fordelingen af ​​elektronspin i materialet overvejes.

Nernst- og Hall-effekter

Forskerne fokuserede på at studere fremkomsten af ​​krystal Nernst og krystal termiske Hall-effekter i rubidiumdioxid (RuO₂ ), valgt som et udstillingsvindue, der repræsenterer altermagnetisme.

Krystal Nernst-effekten (CNE) observeret i altermagneter er et resultat af deres karakteristiske magnetiske natur. Enkelt sagt, da materialet oplever en temperaturforskel på tværs af dets dimensioner, fører det til fremkomsten af ​​en spænding vinkelret på både temperaturgradienten og magnetfeltet. Dette fænomen afslører, at materialets magnetiske egenskaber påvirker dets reaktion på temperaturændringer, hvilket giver indsigt i den indviklede forbindelse mellem termisk og magnetisk adfærd i altermagneter.

I altermagneter er denne effekt væsentligt påvirket af retningen af ​​Néel-vektoren, som repræsenterer den retning, i hvilken tilstødende magnetiske momenter flugter. Dette tilføjer et ekstra lag af kompleksitet til den termiske respons.

På samme måde kaster den krystaltermiske Hall-effekt (CTHE) lys over, hvordan varme bevæger sig i altermagneter. Ligesom den traditionelle termiske Hall-effekt optræder den vinkelret på temperaturgradienten og magnetfeltet. I altermagneter viser CTHE betydelig variation afhængigt af Néel-vektorretningen. Denne anisotropi er en central faktor i forståelsen af ​​den termiske transportadfærd, der er unik for altermagnetiske materialer.

Termiske egenskaber af RuO₂

Forskningsmetodologien anvendte en dobbelt strategi, der kombinerer symmetrianalyse og banebrydende førsteprincipberegninger, for at optrevle de termiske transportegenskaber af RuO₂ . Symmetrianalyse spillede en afgørende rolle i at optrevle de grundlæggende årsager bag fremkomsten af ​​altermagnetisme.

Gennem to symmetrioperationer, der involverer rumlig inversion, tidsvending og gittertranslation, viste undersøgelsen det indviklede samspil mellem atomer i krystalstrukturen og demonstrerede, hvordan ikke-magnetiske oxygenatomer inducerede ikke-relativistisk spinopdeling i energibånd.

Denne proces resulterede i brydning af krystallinsk tids-reverseringssymmetri, hvilket gav anledning til distinkte krystal termiske transportegenskaber.

"Gennem detaljeret analyse identificerede vi tre fysiske mekanismer, der bidrager til krystal termisk transport:Weyl pseudo-nodale linjer, altermagnetiske pseudo-nodale planer og altermagnetiske stigeovergange," sagde Prof. Yao.

Enkelt sagt er Weyls pseudo-nodale linjer veje, der leder varme inden i materialet, altermagnetiske pseudo-nodale planer kan være billeder som udpegede zoner, der påvirker varmestrømmen, og altermagnetiske stigeovergange kan opfattes som materialets måde at bestige en varme på stige.

Disse resultater er spændende, da de spiller en væsentlig rolle i, hvordan varme bevæger sig i altermagneter.

Forskerne opdagede en udvidet Wiedemann-Franz lov i RuO₂ , der forbinder materialets usædvanlige termiske og elektriske transportegenskaber. I modsætning til konventionelle forventninger fungerer denne udvidede lov over et bredere temperaturområde, der strækker sig ud over 150 Kelvin.

Spin caloritronics

Forskerne mener, at altermagneter kan have en central rolle i spin-kaloritronik, et forskningsfelt, der udforsker samspillet mellem spin og varmestrøm, som ikke er opnåelige med ferromagneter eller antiferromagneter. Dette felt har potentielle anvendelser til udvikling af nye teknologier til informationsbehandling og -lagring.

"Altermagnetiske materialer med collineær antiparallel magnetisk rækkefølge udviser hurtigere spin-dynamik og lavere følsomhed over for magnetiske strejffelter sammenlignet med ferromagnetiske materialer. Dette gør dem lovende for at opnå højere lagertæthed og hurtigere spin-kaloritroniske enheder," forklarede prof. Feng.

Forskerne har også til hensigt at undersøge højere ordens krystal termisk transport og magneto-optiske effekter i fremtiden.

Når vi taler om dette, sagde Prof. Yao:"Vi er nysgerrige efter forskellene i højere ordens krystal termisk transport og højordens magneto-optiske effekter i altermagneter sammenlignet med antiferromagneter eller ferromagneter. Vi er i de tidlige stadier af denne teknologi, og der er en lang rejse forude, før det bliver praktisk muligt."

Flere oplysninger: Xiaodong Zhou et al., Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.056701. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.01410

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network