Magnetyzm alternatywny wprowadza trzecią fazę magnetyczną, łącząc niemagnetyzm antyferromagnetyków i silne zjawiska zależne od spinu ferromagnetyków. Ta nowa faza, odkryta dzięki współpracy międzynarodowej, oferuje ogromny potencjał spintroniki, wypełniając dotychczasowe luki w zastosowaniach materiałów magnetycznych. Źródło: SciTechDaily.com
Eksperymenty na szwajcarskim źródle światła SLS Udowodnić istnienie nowego typu magnetyzmu, mającego szerokie implikacje dla technologii i badań.
Obecnie do rodziny magnetycznych dołączył nowy członek: dzięki eksperymentom przeprowadzonym w szwajcarskim ośrodku Light Source SLS badacze udowodnili istnienie alternatywnego magnetyzmu. O eksperymentalnym odkryciu tej nowej gałęzi magnetyzmu doniesiono w: Natura Oznacza to nową podstawową fizykę, mającą poważne implikacje dla spintroniki.
Magnetyzm to znacznie więcej niż tylko rzeczy, które przyklejają się do lodówki. Zrozumienie tego pojawiło się wraz z odkryciem antymagnetyków prawie sto lat temu. Od tego czasu rodzina materiałów magnetycznych została podzielona na dwa podstawowe etapy: znaną od tysięcy lat gałąź ferromagnetyczną i gałąź antymagnetyczną. Dowody eksperymentalne na trzecią gałąź magnetyzmu, zwaną magnetyzmem alternatywnym, uzyskano w szwajcarskim źródle światła (SLS) w ramach międzynarodowej współpracy kierowanej przez Czeską Akademię Nauk z Instytutem Paula Scherrera (PSI).
Podstawowe fazy magnetyczne są określone przez specyficzne, spontaniczne układy momentów magnetycznych – czyli spinów elektronów – i atomów przenoszących momenty w kryształach. Ferromagnesy to rodzaj magnesu, który przykleja się do lodówki: w tym przypadku spiny są skierowane w tym samym kierunku, co daje mikroskopijny magnetyzm. W materiałach antyferromagnetycznych spiny są skierowane w naprzemiennych kierunkach, w wyniku czego materiał nie ma makroskopowej sieci magnesowania, a zatem nie przykleja się do lodówki. Chociaż sklasyfikowano inne rodzaje magnetyzmu, takie jak magnetyzm i paramagnetyzm, opisują one specyficzne reakcje na przyłożone zewnętrznie pola magnetyczne, a nie spontaniczne rozmieszczenie magnetyczne w materiałach.
Odkrycie i właściwości magnesów zastępczych
Magnesy zamienne mają specjalną kombinację układu spinu i symetrii krystalicznej. Spiny są naprzemienne, jak w antymagnesach, co skutkuje brakiem namagnesowania siatki. Jednak zamiast po prostu znosić symetrie, symetrie dają elektronową strukturę pasmową z silną polaryzacją spinową, która zmienia kierunek w miarę przechodzenia przez pasma energii materiału – stąd nazwa magnesy podstawnikowe. Daje to bardzo przydatne właściwości podobne do ferromagnetyków, a także pewne zupełnie nowe właściwości.
W czasopiśmie Nature badacze donoszą o odkryciu nowego typu podstawowego magnetyzmu, zwanego „magnetyzmem alternatywnym”. Tutaj Juraj Krembaski, naukowiec z PSI i pierwszy autor publikacji, stoi przy Swiss Light Source SLS, gdzie prezentowane są eksperymentalne dowody na istnienie alternatywnego magnetyzmu. Źródło: Instytut Paula Scherrera / Mahir Dzambigovic
Implikacje dla Spintroniki
To trzecie magnetyczne rodzeństwo oferuje wyraźne korzyści w dziedzinie rozwoju technologii pamięci magnetycznej nowej generacji, znanej jako spintronika. Podczas gdy elektronika wykorzystuje jedynie ładunek elektronów, elektronika spinowa wykorzystuje również stan spinowy elektronów do przesyłania informacji.
Chociaż spintronika od wielu lat obiecuje zrewolucjonizować technologię informacyjną, jest ona wciąż w powijakach. Zwykle w takich urządzeniach stosuje się ferromagnesy, ponieważ oferują one pewne wysoce pożądane, silne zjawiska fizyczne zależne od spinu. Jednak makroskopowe namagnesowanie sieciowe, przydatne w wielu innych zastosowaniach, nakłada praktyczne ograniczenia na skalowalność tych urządzeń, ponieważ powoduje zakłócenia pomiędzy bitami – elementami przenoszącymi informację w przechowywaniu danych.
Ostatnio badano antymagnesy pod kątem spintroniki, ponieważ wykorzystują brak namagnesowania siatki, a tym samym zapewniają doskonałą skalowalność i efektywność energetyczną. Jednakże nie ma silnych efektów zależnych od spinu, które są tak przydatne w ferromagnetykach, co ponownie utrudnia ich praktyczne zastosowanie.
Wkraczamy tutaj w dziedzinę magnesów alternatywnych, które mają to, co najlepsze z obu: namagnesowanie zerowe netto oraz silne zjawiska zależne od spinu, zwykle spotykane w ferromagnetykach – zalety, które w zasadzie uznano za niezgodne.
„Na tym polega magia magnesów alternatywnych” – mówi Thomas Jungwirth z Instytutu Fizyki Czeskiej Akademii Nauk, główny badacz badania. „Coś, co ludzie uważali za niemożliwe, dopóki nie pojawiły się najnowsze przewidywania teoretyczne, nie stało się rzeczywiście możliwe”.
Przewidywania teoretyczne i weryfikacja eksperymentalna
Pogłoski o istnieniu nowego rodzaju magnetyzmu zaczęły się nie tak dawno temu: w 2019 roku Jungwirth wraz z innymi teoretykami z Czeskiej Akademii Nauk i Uniwersytetu w Moguncji zidentyfikował klasę materiałów magnetycznych o strukturze spinowej, która nie pasuje do klasycznych opisów . Ferromagnetyzm lub antymagnetyzm.
W 2022 roku teoretycy opublikowali swoje przewidywania dotyczące istnienia magnetyzmu alternatywnego. Odkryli ponad dwustu kandydatów na magnetyzm alternatywny w materiałach, od izolatorów po PółprzewodnikiDo metali i nadprzewodników. Wiele z tych materiałów było dobrze znanych i szeroko badanych w przeszłości, bez odnotowania ich alternatywnej natury magnetycznej. Biorąc pod uwagę ogromne możliwości badawcze i aplikacyjne, jakie stwarza alternatywny magnetyzm, przewidywania te wywołały wielkie podekscytowanie w społeczności. Poszukiwania trwały.
Uzyskanie bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na istnienie alternatywnego magnetyzmu wymaga wyjaśnienia unikalnych właściwości symetrii spinu, jakich oczekuje się od alternatywnych magnesów. Dowody uzyskano dzięki zastosowaniu rotacyjnej i kątowej optycznej spektroskopii emisyjnej w SIS (koniec COPHEE) oraz linii promieni ADRESS SLS. Technika ta umożliwiła zespołowi wizualizację wyraźnej cechy struktury elektronicznej podejrzanego magnesu alternatywnego: rozszczepienia pasm elektronicznych odpowiadających różnym stanom spinu, znanego jako winda degeneracji spinu Cramera.
Odkrycia dokonano w kryształach tellurku manganu, dobrze znanej prostej substancji dwuskładnikowej. Tradycyjnie materiał ten uznawano za klasyczny ferromagnetyk, ponieważ momenty magnetyczne sąsiadujących atomów manganu są skierowane w przeciwnych kierunkach, generując zanikające namagnesowanie.
„Teraz, kiedy już to podkreśliliśmy, więcej ludzi na całym świecie będzie mogło nad tym pracować”. — Thomasa Jungwirtha
Jednakże antymagnesy nie powinny wykazywać dużej degeneracji spinu Cramera w porządku magnetycznym, podczas gdy ferromagnesy lub magnesy podstawnikowe powinny. Kiedy naukowcy zaobserwowali wzrost rozpadu spinu Cramera, któremu towarzyszył zanik namagnesowania siatki, wiedzieli, że szukają alternatywnego magnesu.
„Dzięki dużej precyzji i czułości naszych pomiarów byliśmy w stanie wykryć charakterystyczne naprzemienne rozszczepienie poziomów energii odpowiadające przeciwległym stanom spinowym, udowadniając w ten sposób, że tellurek manganu nie jest ani klasycznym antyferromagnetykiem, ani klasycznym ferromagnetykiem, ale należy do nowej gałęzi alternatywnego magnetyzmu” – mówi Juraj Krembaski, naukowiec zajmujący się liniami wiązkowymi w grupie Beamline Optics Group w PSI i pierwszy autor badania „From Magnetic Materials”.
Linie badawcze, które umożliwiły to odkrycie, zostały obecnie zdemontowane i oczekują na aktualizację SLS 2.0. Po dwudziestu latach sukcesów naukowych ostatnia stacja COPHEE zostanie w pełni zintegrowana z nową linią kontrolną „QUEST”. „Przeprowadziliśmy te eksperymenty z ostatnimi fotonami światła w COPHEE. Dokonaliśmy tak ważnego przełomu naukowego, że robi to na nas ogromne wrażenie” – dodaje Krempaski.
Wnioski i kierunki na przyszłość
Naukowcy uważają, że to fundamentalne nowe odkrycie w dziedzinie magnetyzmu wzbogaci naszą wiedzę na temat fizyki materii skondensowanej, wpływając jednocześnie na różnorodne obszary badań i technologii. Oprócz zalet w rozwijającej się dziedzinie spintroniki, stanowią one również obiecującą platformę do badania niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa dzięki nowemu wglądowi w stany nadprzewodnictwa, które mogą powstawać w różnych materiałach magnetycznych.
„Alternatywny magnetyzm właściwie nie jest czymś bardzo skomplikowanym. „To coś całkiem fundamentalnego, co przez dziesięciolecia było przed naszymi oczami, czego nie zauważaliśmy” – mówi Jungwirth. „I nie jest to coś, co istnieje tylko w kilku mało znanych materiałach. Występuje w wielu kryształach, które ludzie trzymali w szufladach. W tym sensie teraz, gdy ujawniliśmy ten pomysł, znacznie więcej osób na całym świecie będzie mogło nad nim pracować, otwierając tym samym potencjał szerokiego wpływu.
Odniesienie: „Lewitacja magnetyczna rozpadu spinu Cramera” 14 lutego 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06907-7