Nový typ magnetismu se širokými důsledky pro technologii a výzkum

Nyní je tu nový přírůstek do rodiny magnetů: díky experimentům provedeným ve švýcarském Light Source SLS vědci prokázali existenci alternativního magnetismu. Experimentální objev této nové větve magnetismu je zmíněno v Příroda Znamená to novou základní fyziku s hlavními důsledky pro spintroniku.

Magnetismus je mnohem víc než jen věci, které ulpívají na vaší lednici. Toto pochopení přišlo s objevem antimagnetů téměř před stoletím. Od té doby je rodina magnetických materiálů rozdělena do dvou základních stupňů: feromagnetická větev známá po tisíce let a antimagnetická větev.

Experimentální důkazy pro třetí větev magnetismu, nazývanou alternativní magnetismus, byly poskytnuty na švýcarském světelném zdroji SLS prostřednictvím mezinárodní spolupráce vedené Akademií věd ČR s Institutem Paula Scherrera (PSI).

Základní magnetické fáze jsou určeny specifickým spontánním uspořádáním magnetických momentů – neboli spinů elektronů – a atomů nesoucích momenty v krystalech.

Feromagnety jsou typem magnetu, který se přilepí na vaši lednici: zde rotace směřují stejným směrem a vytvářejí mikroskopický magnetismus. V antiferomagnetických materiálech rotace míří ve střídavých směrech, což má za následek, že materiál nemá makroskopickou magnetizační síť, a proto se nelepí na mrazničku. Ačkoli byly klasifikovány i jiné typy magnetismu, jako je magnetismus a paramagnetismus, popisují spíše specifické reakce na externě aplikovaná magnetická pole než spontánní magnetické uspořádání v materiálech.

Náhradní magnety mají speciální kombinaci spinového uspořádání a krystalické symetrie. Rotace se střídají, jako u antimagnetů, což má za následek žádnou síťovou magnetizaci. Namísto prostého zrušení symetrií však symetrie dávají strukturu elektronického pásu se silnou spinovou polarizací, která kolísá ve směru, jak procházíte energetickými pásy materiálu, odtud název substituční magnety. To má za následek velmi užitečné vlastnosti podobné feromagnetům, ale i některé zcela nové.

Můj nový a užitečný bratr

Tento třetí magnetický sourozenec nabízí výrazné výhody v oblasti vývoje nové generace technologie magnetické paměti, známé jako spintronika. Zatímco elektronika využívá pouze náboj elektronů, spinová elektronika také využívá spinový stav elektronů k přenosu informací.

Přestože spintronika již řadu let slibuje revoluci v informačních technologiích, je stále v plenkách. Typicky se pro taková zařízení používají feromagnetika, protože nabízejí některé vysoce žádoucí silné fyzikální jevy závislé na rotaci. Makroskopická síťová magnetizace užitečná v mnoha jiných aplikacích však ukládá praktická omezení škálovatelnosti těchto zařízení, protože způsobuje interferenci mezi bity (informacemi, které drží prvky v datovém úložišti).

Nedávno byly antiferomagnety studovány pro spintroniku, protože využívají nedostatek síťové magnetizace a poskytují tak vynikající škálovatelnost a energetickou účinnost. Chybí však silné spinově závislé efekty, které jsou tak užitečné u feromagnetik, což opět brání jejich praktické použitelnosti.

Zde vstupujeme na pole alternativních magnetů, které mají to nejlepší z obou: čistá nulová magnetizace spojená se silnými jevy závislými na rotaci, které se typicky vyskytují u feromagnetik, výhody, které byly v zásadě považovány za neslučitelné.

„To je kouzlo alternativních magnetů,“ říká Thomas Jungwirth z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, hlavní řešitel studie. „Do nedávných teoretických předpovědí si lidé mysleli, že je nemožné [showed it] Je to vlastně možné.“

Hledání probíhá

Dohadování o existenci nového druhu magnetismu začalo nedávno: v roce 2019 Jungwirth a kolegové teoretikové z Akademie věd ČR a University of Mainz identifikovali třídu magnetických materiálů se spinovou strukturou, která neodpovídá klasickému popisu. . Feromagnetismus nebo antimagnetismus.

V roce 2022 publikovali teoretici své předpovědi existence alternativního magnetismu. Objevili více než dvě stě kandidátů na alternativní magnety v materiálech od izolantů a polovodičů až po kovy a supravodiče. Mnohé z těchto materiálů byly v minulosti dobře známé a rozsáhle prozkoumány, aniž by byla zaznamenána jejich alternativní magnetická povaha. Vzhledem k obrovským výzkumným a aplikačním příležitostem, které alternativní magnetismus představuje, vyvolaly tyto předpovědi v komunitě velké vzrušení. Pátrání probíhalo.

Důkazy poskytují rentgenové snímky

Získání přímých experimentálních důkazů o existenci alternativního magnetismu vyžaduje objasnění jedinečných vlastností spinové symetrie očekávaných u alternativních magnetů. Důkazy byly získány pomocí rotační a úhlové optické emisní spektroskopie v SIS (konec COPHEE) a paprskových linií ADRESS SLS. Tato technika umožnila týmu vizualizovat jasnou vlastnost v elektronické struktuře podezřelého alternativního magnetu: rozdělení elektronických pásem odpovídajících různým stavům rotace, známé jako Cramer spin degeneracy lift.

Objev byl učiněn v krystalech teluridu manganu, což je známá jednoduchá dvousložková látka. Tradičně byl materiál považován za klasický feromagnet, protože magnetické momenty na sousedních atomech manganu směřují v opačných směrech, což generuje evanescentní síťovou magnetizaci.

Antimagnety by však neměly vykazovat vysokou degeneraci Cramerova spinu v magnetickém řádu, zatímco feromagnety nebo substituční magnety ano. Když vědci viděli nárůst rozpadu Cramerovy rotace doprovázený mizející síťovou magnetizací, věděli, že se dívají na alternativní magnet.

„Díky vysoké přesnosti a citlivosti našich měření jsme byli schopni detekovat charakteristické střídavé štěpení energetických hladin odpovídající opačným spinovým stavům, čímž jsme dokázali, že telurid manganu není ani klasický antiferomagnet, ani klasický feromagnet, ale patří do větve nový alternativní magnetismus,“ říká Juraj Krembaski, vědec s paprskovými linkami ve skupině Beamline Optics Group na PSI a první autor studie.

Paprsky, které umožnily tento objev, byly nyní demontovány a čekají na upgrade SLS 2.0. Po dvaceti letech úspěšné vědy bude konečná stanice COPHEE plně integrována do nového beamline „QUEST“. „Tyto experimenty jsme provedli s použitím posledních fotonů světla v COPHEE,“ dodává Krempaski. „Dodání tak důležitého vědeckého průlomu je pro nás velmi emocionální.“

„Teď, když jsme to zdůraznili, na tom bude moci pracovat více lidí po celém světě.“

Vědci věří, že tento zásadní nový objev v magnetismu obohatí naše chápání fyziky kondenzovaných látek a zároveň ovlivní různé oblasti výzkumu a technologie. Kromě svých výhod v oblasti pokročilé spintroniky poskytuje také slibnou platformu pro zkoumání nekonvenční supravodivosti prostřednictvím nových pohledů na supravodivé stavy, které mohou vznikat v různých magnetických materiálech.

„Alternativní magnetismus ve skutečnosti není něco příliš složitého. Je to něco zcela zásadního, co máme přímo před očima po celá desetiletí, aniž bychom si toho všimli,“ říká Jungwirth. „A není to něco, co by se nacházelo jen v několika málo obskurních látkách. Je to přítomno v mnoha krystalech, které si lidé jednoduše uchovávali ve svých zásuvkách. V tomto smyslu, teď, když jsme na to vrhli světlo, bude moci mnohem více lidí po celém světě pracovat na tom a umožnit tak mít široký dopad.“