Obecnie do rodziny magnetycznych dołączył nowy członek: dzięki eksperymentom w Swiss Light Source SLS badacze udowodnili istnienie altermagnetyzmu. Eksperymentalne odkrycie tej nowej gałęzi magnetyzmu opisano w czasopiśmie Nature i 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 antyferromagnetyków prawie sto lat temu. Od tego czasu rodzina materiałów magnetycznych została podzielona na dwie zasadnicze fazy: gałąź ferromagnetyczną znaną od kilku tysiącleci i gałąź antyferromagnetyczną. Eksperymentalny dowód trzeciej gałęzi magnetyzmu, zwanej altermagnetyzmem, został wykonany w szwajcarskim Light Source SLS w ramach międzynarodowej współpracy kierowanej przez Czeską Akademię Nauk wraz z Instytutem Paula Scherrera PSI.
Podstawowe fazy magnetyczne są definiowane przez specyficzne, spontaniczne układy momentów magnetycznych – czyli spinów elektronów – i atomów przenoszących momenty w kryształach. Ferromagnesy to rodzaj magnesów, które przyklejają się do lodówki: w tym przypadku magnesy obracają się w tym samym kierunku, nadając makroskopowy magnetyzm. W materiałach antyferromagnetycznych spiny skierowane są w naprzemiennych kierunkach, w wyniku czego materiały nie posiadają makroskopowego namagnesowania netto, a zatem nie przyklejają się do lodówki. Chociaż sklasyfikowano inne rodzaje magnetyzmu, takie jak diamagnetyzm i paramagnetyzm, opisują one raczej specyficzne reakcje na przyłożone zewnętrznie pola magnetyczne niż spontaniczne porządki magnetyczne w materiałach.
Altermagnety mają specjalną kombinację układu spinów i symetrii kryształów. Spiny zmieniają się, jak w antyferromagnesach, co skutkuje brakiem namagnesowania siatki. Jednak zamiast po prostu się znosić, symetrie tworzą elektroniczną strukturę pasmową z silną polaryzacją spinową, która zmienia kierunek w miarę przechodzenia przez pasma energetyczne materiału – stąd nazwa altermagnetyki. Skutkuje to wysoce użytecznymi właściwościami bardziej przypominającymi ferromagnetyki, a także pewnymi zupełnie nowymi właściwościami.
Nowe i przydatne rodzeństwo
To trzecie magnetyczne rodzeństwo oferuje wyraźne korzyści dla rozwijającej się dziedziny technologii pamięci magnetycznej nowej generacji, znanej jako spintronika. Podczas gdy elektronika wykorzystuje jedynie ładunek elektronów, spintronika wykorzystuje również stan spinowy elektronów do przenoszenia informacji.
Chociaż spintronika od kilku lat obiecuje zrewolucjonizować informatykę, jest ona wciąż w powijakach. Zazwyczaj w takich urządzeniach stosuje się ferromagnesy, ponieważ zapewniają one pewne wysoce pożądane, silne zjawiska fizyczne zależne od spinu. Jednak makroskopowe namagnesowanie sieci, które jest przydatne w wielu innych zastosowaniach, stwarza praktyczne ograniczenia skalowalności tych urządzeń, ponieważ powoduje przesłuchy między bitami – elementami przenoszącymi informacje w przechowywaniu danych.
Niedawno zbadano antyferromagnesy pod kątem spintroniki, ponieważ korzystają one z braku namagnesowania siatki, a tym samym oferują ultraskalowalność i efektywność energetyczną. Brakuje jednak silnych efektów zależnych od spinu, które są tak przydatne w ferromagnetykach, co ponownie utrudnia ich praktyczne zastosowanie.
Tutaj pojawiają się altermagnesy posiadające to, co najlepsze z obu: zerowe namagnesowanie netto wraz z pożądanymi, silnymi zjawiskami zależnymi od spinu, zwykle spotykanymi w ferromagnetykach – zalety, które uważano za zasadniczo nie do pogodzenia.
„Na tym polega magia altermagnesów” – mówi Tomáš 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 faktycznie możliwe”.
Poszukiwania trwają
Pogłoski o tym, że czai się nowy rodzaj magnetyzmu, zaczęły się niedawno: w 2019 roku Jungwirth wraz z kolegami teoretykami z Czeskiej Akademii Nauk i Uniwersytetu w Moguncji zidentyfikował klasę materiałów magnetycznych o strukturze spinowej, która nie mieściła się w klasycznych opisach ferromagnetyzmu lub antyferromagnetyzmu.
W 2022 roku teoretycy opublikowali swoje przewidywania dotyczące istnienia altermagnetyzmu. Odkryli ponad dwustu kandydatów na substancje altermagnetyczne w różnych materiałach, od izolatorów i półprzewodników po metale i nadprzewodniki. Wiele z tych materiałów było dobrze znanych i szeroko badanych w przeszłości, nie zauważając ich altermagnetycznej natury. Ze względu na ogromne możliwości badawcze i aplikacyjne, jakie stwarza altermagnetyzm, przewidywania te wywołały wielkie podekscytowanie w społeczności. Poszukiwania trwały.
Dowodem są zdjęcia rentgenowskie
Uzyskanie bezpośredniego eksperymentalnego dowodu na istnienie altermagnetyzmu wymagało wykazania unikalnych charakterystyk symetrii spinu przewidywanych dla altermagnetyzmów. Dowód uzyskano dzięki zastosowaniu spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością spinową i kątową na stacji końcowej SIS (stacja końcowa COPHEE) i liniach promieni ADRESS w SLS. Technika ta umożliwiła zespołowi wizualizację charakterystycznej cechy struktury elektronicznej podejrzanego altermagnesu: rozszczepienia pasm elektronowych odpowiadających różnym stanom spinu, znanego jako zniesienie degeneracji spinu Kramersa.
Odkrycia dokonano w kryształach tellurku manganu, dobrze znanego prostego materiału dwuelementowego. Tradycyjnie materiał ten uznawano za klasyczny antyferromagnet, ponieważ momenty magnetyczne na sąsiednich atomach manganu są skierowane w przeciwnych kierunkach, generując zanikającą namagnesowanie.
Jednakże antyferromagnesy nie powinny wykazywać zwiększonej degeneracji spinu Kramera ze względu na porządek magnetyczny, podczas gdy ferromagnetyki lub altermagnesy powinny. Kiedy naukowcy zaobserwowali ustąpienie degeneracji spinu Kramersa, któremu towarzyszyło zanikanie namagnesowania sieci, wiedzieli, że patrzą na altermagnes.
„Dzięki dużej precyzji i czułości naszych pomiarów mogliśmy wykryć charakterystyczne naprzemienne rozszczepienie poziomów energii odpowiadające przeciwnym stanom spinowym i w ten sposób wykazać, że tellurek manganu nie jest ani konwencjonalnym antyferromagnetykiem, ani konwencjonalnym ferromagnetykiem, lecz należy do nowej gałęzi altermagnetycznej. materiałów magnetycznych” – mówi Juraj Krempasky, naukowiec zajmujący się liniami wiązkowymi w Grupie Optyki Beamline w PSI i pierwszy autor badania.
Linie badawcze, które umożliwiły to odkrycie, są obecnie zdemontowane i oczekują na aktualizację SLS 2.0. Po dwudziestu latach sukcesów naukowych stacja końcowa COPHEE zostanie całkowicie zintegrowana z nową linią kontrolną „QUEST”. „Doświadczenia te przeprowadziliśmy z ostatnimi fotonami światła w COPHEE. Fakt, że dały one tak ważny przełom naukowy, jest dla nas bardzo emocjonalny” – dodaje Krempasky.
„Teraz, gdy wydobyliśmy to na światło dzienne, wielu ludzi na całym świecie będzie mogło nad tym pracować”.
Naukowcy są przekonani, że to nowe, fundamentalne odkrycie w dziedzinie magnetyzmu wzbogaci naszą wiedzę na temat fizyki materii skondensowanej, wywierając wpływ na różne obszary badań i technologii. Oprócz korzyści dla rozwijającej się dziedziny spintroniki, oferuje także obiecującą platformę do badania niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa dzięki nowemu wglądowi w stany nadprzewodnictwa, które mogą powstawać w różnych materiałach magnetycznych.
„Altermagnetyzm tak naprawdę nie jest czymś niezwykle skomplikowanym. To coś całkowicie fundamentalnego, co przez dziesięciolecia pozostawało przed naszymi oczami, czego nie zauważaliśmy” – mówi Jungwirth. „I nie jest to coś, co istnieje tylko w kilku mało znanych materiałach. Istnieje w wielu kryształach, które ludzie po prostu mieli w swoich szufladach. W tym sensie teraz, gdy wydobyliśmy to na światło dzienne, wielu ludzi na całym świecie będzie mogło popracuj nad tym, dając potencjał wywarcia szerokiego wpływu.”