En ny typ av magnetism har långtgående konsekvenser för teknik och forskning

En ny medlem har anslutit sig till den magnetiska familjen. Tack vare experiment vid den schweiziska ljuskällan SLS har forskare bevisat förekomsten av växelströmsmagnetism. Experimentella upptäckter inom detta nya magnetismfält rapporteras i följande artiklar: Natur Detta representerar ny grundläggande fysik och har stora konsekvenser för spintronik.

Magnetism fastnar inte bara i ditt kylskåp. Denna förståelse kom för nästan ett sekel sedan med upptäckten av antiferromagneter. Sedan dess har familjen av magnetiska material delats upp i två grundläggande faser: den ferromagnetiska delen och den antiferromagnetiska delen, som har varit kända i tusentals år.

Den experimentella demonstrationen av en tredje gren av magnetism, kallad växelströmsmagnetism, genomfördes vid den schweiziska ljuskällan SLS i ett internationellt samarbete ledd av den tjeckiska vetenskapsakademin och Paul Scherrer Institute PSI.

Den fundamentala magnetiska fasen definieras av det magnetiska momentet (elektronspin) och det specifika spontana arrangemanget av atomerna som bär momentet i kristallen.

Ferromagnetiskt material är en typ av magnet som fastnar på kylskåpet. Här roterar de i samma riktning, vilket ger dem makroskopisk magnetism. I ett antiferromagnetiskt material är spinnen orienterade i alternerande riktningar, så materialet har ingen makroskopisk nätmagnetisering och fastnar därför inte i kylskåpet. Andra typer av magnetism, såsom diamagnetism och paramagnetism, har också klassificerats, men dessa representerar inte en spontan magnetisk ordning inom materialet, utan snarare ett specifikt svar på ett externt applicerat magnetfält.

AC-magneter har en speciell kombination av spinnkonfiguration och kristallsymmetri. Liksom i antiferromagneter växlar snurren och ingen nettomagnetisering sker. Men snarare än att bara ta bort symmetrin, ger den en elektronisk bandstruktur med stark spinnpolarisering som vänder riktningen när den passerar genom materialets energiband. Det är därför de kallas ersättningsmagneter. Detta ger dem mycket användbara egenskaper som liknar ferromagneter, men också helt nya egenskaper.

nytt nyttigt syskon

Detta tredje magnetiska syskon erbjuder tydliga fördelar när det gäller att utveckla nästa generations magnetiska minnesteknologi känd som spintronics. Elektronik använder bara laddningen av elektroner, men spintronics använder också elektronernas spintillstånd för att förmedla information.

Spintronics har lovat att revolutionera IT i flera år, men det är fortfarande i sin linda. Ferromagnetiska material har typiskt använts i sådana anordningar eftersom de tillhandahåller vissa mycket önskvärda och starkt spinnberoende fysikaliska fenomen. Makroskopisk nätmagnetisering, som är användbar i många andra applikationer, sätter emellertid praktiska begränsningar för skalbarheten av dessa enheter eftersom det orsakar överhörning mellan bitar, som är de informationsbärande elementen i datalagring. .

På senare tid har antiferromagneter undersökts för spintronik eftersom de drar nytta av att de inte har någon nettomagnetisering, vilket erbjuder hyperskalbarhet och energieffektivitet. Ferromagneter saknar dock de starka spinnberoende effekterna som gör dem så användbara, vilket återigen hindrar deras praktiska tillämpning.

Det är här altermagneter kommer in, och erbjuder det bästa av två världar: noll nettomagnetisering och starka spinnberoende fenomen som vanligtvis finns i ferromagneter. Dessa fördelar ansågs i princip utesluta varandra.

”Detta är magin med metamorfa magneter”, säger Tomas Ljungwirth från den tjeckiska vetenskapsakademins institut för fysik, huvudforskare i studien. ”Vad folk trodde var omöjligt tills de senaste teoretiska förutsägelser gjordes [showed it] Det är faktiskt möjligt. ”

Sökande

Viskningar om att en ny typ av magnetism låg på lur började för ett tag sedan. Under 2019 identifierade Jungwirth, tillsammans med teoretiska kollegor från Tjeckiska vetenskapsakademin och University of Mainz, en typ av magnetiskt material vars spinnstruktur inte stämmer överens med den klassiska beskrivningen. Ferromagnetisk eller antiferromagnetisk.

År 2022 publicerade teoretiker förutsägelser om förekomsten av magnetism. De upptäckte mer än 200 potentiella alternativa magnetiska material, allt från isolatorer och halvledare till metaller och supraledare. Många av dessa material har varit välkända och omfattande studerade tidigare utan att inse deras varierande magnetiska egenskaper. Dessa förutsägelser genererade stor spänning inom samhället på grund av de stora forsknings- och tillämpningsmöjligheter som variabel magnetism erbjuder. Sökandet fortsatte.

röntgen ger bevis

Direkt experimentellt bevis på existensen av alternerande magnetism krävs att visa de unika spinsymmetriegenskaperna som förutspås i alternerande magnetiska material. Detta bevis utfördes med hjälp av spin- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi vid SLS:s SIS (COPHEE-ändstation) och ADRESS-strållinjer. Den här tekniken gjorde det möjligt för teamet att visualisera en avslöjande funktion i den elektroniska strukturen hos den misstänkta alternerande magneten: uppdelningen av elektroniska band som motsvarar olika spinntillstånd, känd som upphävande av Kramer-spindegenerationen.

Upptäckten gjordes i kristaller av mangantellurid, ett välkänt enkelt ämne med två element. Traditionellt har detta material ansetts vara en klassisk antiferromagnet eftersom de magnetiska momenten hos intilliggande manganatomer pekar i motsatta riktningar, vilket ger en försvinnande nätmagnetisering.

Antiferromagneter bör dock inte uppvisa förhöjd Kramer-spindegeneration på grund av magnetisk ordning, medan ferromagneter och alternerande magneter bör. När forskare såg utsläppet av Kramer-spindegeneration med försvinnandet av nätmagnetisering, insåg de att de tittade på en växelströmsmagnet.

”Tack vare den höga precisionen och känsligheten i våra mätningar kan vi upptäcka den karakteristiska alternerande uppdelningen av energinivåer som motsvarar motsatta spinntillstånd, vilket visar att mangantellurid är mycket ferromagnetiskt även i konventionella antiferromagneter. Vi kunde visa att det är inte heller ett magnetiskt material, utan tillhör en ny korsmagnetisk gren.”Studien av magnetiska material,” sade Beamline Scientist i PSI Beamline Optics Group och huvudförfattare till studien, säger Juraj Krempasky.

Strållinjen som gjorde denna upptäckt möjlig har nu demonterats och väntar på uppgraderingar till SLS 2.0. Efter 20 år av vetenskaplig framgång kommer COPHEE-ändstationen att integreras helt i den nya ”QUEST”-strållinjen. ”Vi utförde dessa experiment med COPHEEs sista fotoner, och vi är glada över att de gjorde ett så viktigt vetenskapligt genombrott,” tillade Krempaski.

”Nu när vi har tagit upp den här frågan kommer fler människor runt om i världen att kunna ta itu med det.”

Forskarna tror att denna nya grundläggande upptäckt inom magnetism kommer att få konsekvenser för olika forsknings- och teknikområden och fördjupa vår förståelse av kondensatfysik. Förutom dess fördelar för det växande området för spintronik, tillhandahåller den också en lovande plattform för att utforska okonventionell supraledning genom nya insikter om de supraledande tillstånd som kan uppstå i olika magnetiska material.

”Växelströmsmagnetism är faktiskt inte så komplicerat. Det är något helt grundläggande som har funnits under våra näsor i årtionden utan att vi insett det”, säger Jungwirth. ”Och det är inte något som bara finns i ett fåtal obskyra ämnen. Det finns i många kristaller som folk precis hade i sina lådor. I den meningen är det viktigt att vi gör det tydligt. Genom att göra detta kommer många människor runt om i världen att veta om det.” Att arbeta med det har potential att få en långtgående inverkan. ”