A mágnesesség új típusa, amely széleskörű hatással van a technológiára és a kutatásra

A mágneses család most egy új taggal bővült: a Swiss Light Source SLS-nél végzett kísérleteknek köszönhetően a kutatók bebizonyították az alternatív mágnesesség létezését. A mágnesesség ezen új ágának kísérleti felfedezése az említett ban ben természet Új alapvető fizikát jelent, jelentős hatással a spintronikára.

A mágnesesség sokkal több, mint a hűtőszekrényéhez tapadó dolgok. Ez a megértés az antimágnesek felfedezésével jött létre közel egy évszázaddal ezelőtt. Azóta a mágneses anyagok családja két alapvető szakaszra oszlik: a több ezer éve ismert ferromágneses ágra és az antimágneses ágra.

A Cseh Tudományos Akadémia és a Paul Scherrer Institute PSI által vezetett nemzetközi együttműködés keretében a svájci fényforrás SLS kísérleti bizonyítékot szolgáltatott a mágnesesség harmadik ágára, az úgynevezett alternatív mágnesességre.

A mágneses alapfázisokat a mágneses momentumok – vagy elektronspin – és a momentumot hordozó atomok sajátos spontán elrendeződése határozza meg a kristályokban.

A ferromágnesek olyan típusú mágnesek, amelyek a hűtőszekrényhez tapadnak: itt a forgások ugyanabba az irányba mutatnak, és mikroszkopikus mágnesességet biztosítanak. Az antiferromágneses anyagokban a forgások váltakozó irányba mutatnak, ami azt eredményezi, hogy az anyagnak nincs makroszkopikus mágnesezési hálózata, ezért nem tapad a fagyasztóhoz. Bár a mágnesesség más típusait is besorolták, például a mágnesességet és a paramágnesességet, ezek inkább a külsőleg alkalmazott mágneses mezőkre adott válaszokat írják le, nem pedig az anyagok spontán mágneses elrendezését.

A cseremágnesek a forgáselrendezés és a kristályos szimmetriák speciális kombinációjával rendelkeznek. A pörgetések váltakoznak, mint az antimágneseknél, így nincs nettó mágnesezettség. Azonban ahelyett, hogy egyszerűen kiiktatnák a szimmetriákat, a szimmetriák erős spin-polarizációval rendelkező elektronikus sávszerkezetet adnak, amely az anyag energiasávjain való áthaladás során ingadozik, innen ered a szubsztituens mágnesek elnevezés. Ez a ferromágnesekhez hasonló nagyon hasznos tulajdonságokat, valamint néhány teljesen új tulajdonságot eredményez.

Új és hasznos bátyám

Ez a harmadik mágneses testvér határozott előnyöket kínál a mágneses memória technológia következő generációjának, a spintronikának a fejlesztési területén. Míg az elektronika csak az elektronok töltését használja fel, a spinelektronika az elektronok spinállapotát is felhasználja információtovábbításra.

Bár a spintronika már évek óta ígéretet tett az információs technológia forradalmasítására, még mindig gyerekcipőben jár. Jellemzően ferromágneseket használnak az ilyen eszközökhöz, mivel ezek néhány nagyon kívánatos, spin-függő erős fizikai jelenséget kínálnak. A sok más alkalmazásban hasznos makroszkopikus hálómágnesezés azonban gyakorlati korlátokat szab ezen eszközök skálázhatóságának, mivel interferenciát okoz a bitek (az adattárolóban lévő információt hordozó elemek) között.

A közelmúltban az antimágneseket vizsgálták spintronikára, mivel kihasználják a nettó mágnesezettség hiányát, és így kiváló skálázhatóságot és energiahatékonyságot biztosítanak. Hiányoznak azonban a ferromágneseknél oly hasznos erős spin-függő hatások, ami ismét hátráltatja gyakorlati alkalmazhatóságukat.

Itt belépünk az alternatív mágnesek területére, amelyek mindkettőből a legjobbak: a nettó nulla mágnesezettség párosul a ferromágneseknél jellemzően erős spin-függő jelenségekkel, amelyek elvileg összeegyeztethetetlennek tekinthetők.

„Ez az alternatív mágnesek varázsa” – mondja Thomas Jungwirth, a Cseh Tudományos Akadémia Fizikai Intézetének munkatársa, a tanulmány vezető kutatója. „Valamit az emberek lehetetlennek tartottak, amíg a közelmúltban megjelent elméleti jóslatok napvilágra nem kerültek [showed it] – Valójában lehetséges.

A keresés folyamatban van

Nem is olyan régen elkezdődtek a dübörgések egy újfajta mágnesesség létezéséről: 2019-ben Jungwirth és a Cseh Tudományos Akadémia és a Mainzi Egyetem teoretikusai olyan mágneses anyagok osztályát azonosították, amelyek spinszerkezete nem illik a klasszikus leírásokhoz. . Ferromágnesesség vagy antimágnesesség.

2022-ben a teoretikusok közzétették előrejelzéseiket az alternatív mágnesesség létezésére vonatkozóan. Több mint kétszáz alternatív mágnesjelöltet fedeztek fel a szigetelőktől a félvezetőkig, a fémekig és a szupravezetőkig terjedő anyagokban. Ezen anyagok közül sokat jól ismertek és alaposan feltártak a múltban, anélkül, hogy feljegyezték volna alternatív mágneses természetüket. Tekintettel az alternatív mágnesesség által kínált hatalmas kutatási és alkalmazási lehetőségekre, ezek az előrejelzések nagy izgalmat keltettek a közösségben. A keresés folyamatban volt.

A röntgensugarak bizonyítékot szolgáltatnak

Az alternatív mágnesesség létezésére vonatkozó közvetlen kísérleti bizonyítékok megszerzéséhez szükség van az alternatív mágneseknél várható egyedi spinszimmetria-tulajdonságok tisztázására. A bizonyítékok a SIS-nél (COPHEE terminálisnál) és az SLS ADRESS nyalábjainál végzett forgási és szögoptikai emissziós spektroszkópiával érkeztek. Ez a technika lehetővé tette a csapat számára, hogy láthatóvá tegye a feltételezett alternatív mágnes elektronikus szerkezetének egyértelmű jellemzőjét: a különböző spinállapotoknak megfelelő elektronikus sávok felosztását, amelyet Cramer spin-degenerációs emelésnek neveznek.

A felfedezést a mangántellurid, egy jól ismert egyszerű kétkomponensű anyag kristályaiban tették. Hagyományosan az anyagot klasszikus ferromágnesnek tekintik, mivel a szomszédos mangánatomokon a mágneses momentumok ellentétes irányba mutatnak, ami eltávolodott nettó mágnesezettséget generál.

Az antimágnesek azonban nem mutathatnak nagy Cramer-pörgés-degenerációt a mágneses sorrendben, míg a ferromágnesek vagy a helyettesítő mágnesek ezt mutatják. Amikor a tudósok azt tapasztalták, hogy a Cramer-pörgés bomlása megnövekszik, amihez egy eltűnő mágnesezettség társult, tudták, hogy alternatív mágnest keresnek.

„Méréseink nagy pontosságának és érzékenységének köszönhetően az energiaszintek ellentétes spinállapotoknak megfelelő, jellegzetes váltakozó hasadását tudtuk kimutatni, bizonyítva ezzel, hogy a mangántellurid nem klasszikus antimágnes és nem is klasszikus ferromágnes, hanem az új ághoz tartozik. az alternatív mágnesességről” – mondja Juraj Krempaski, a PSI Beamline Group Optics Group beamline tudósa és a tanulmány első szerzője.

A felfedezést lehetővé tévő sugárvonalakat most szétszerelték, és az SLS 2.0 frissítésre várnak. Húsz év sikeres tudomány után az utolsó COPHEE állomás teljesen beépül az új „QUEST” sugárvonalba. „Ezeket a kísérleteket a fény utolsó fotonjainak felhasználásával végeztük a COPHEE-nál. Az, hogy ilyen fontos tudományos áttörést hoztak, nagyon érzelmes számunkra” – teszi hozzá Krempaski.

„Most, hogy ezt kiemeltük, világszerte többen dolgozhatnak majd rajta.”

A kutatók úgy vélik, hogy ez az alapvető új felfedezés a mágnesesség terén gazdagítani fogja a kondenzált anyag fizikájának megértését, miközben hatással lesz a kutatás és a technológia különböző területeire. A spintronika fejlődő területén nyújtott előnyeik mellett ígéretes platformot biztosítanak a nem szokványos szupravezetés feltárásához is, új betekintést nyerve a különböző mágneses anyagokban előforduló szupravezető állapotokba.

„Az alternatív mágnesesség valójában nem valami túl bonyolult. Ez valami egészen alapvető dolog, ami évtizedek óta a szemünk előtt van anélkül, hogy észrevennénk” – mondja Jungwirth. „És ez nem olyasmi, ami csak néhány homályos anyagban található meg. Számos kristályban megtalálható, amelyeket az emberek egyszerűen a fiókjukban tartanának. Ebben az értelemben, most, hogy fényt derítettünk rá, sok ember a világon képes legyen dolgozni rajta, lehetővé téve széles körű hatást.”