Antiferromagneten hebben aanzienlijke belangstelling gewekt voor toekomstige computertechnologieën vanwege hun snelle dynamiek, hun vermogen om spin-gepolariseerde elektrische stromen te genereren en te detecteren, en hun robuustheid tegen externe magnetische velden. Ondanks deze mooie vooruitzichten, de verdwijnende totale magnetisatie in antiferromagneten maakt het moeilijk om hun interne magnetische structuur te evalueren in vergelijking met hun ferromagnetische tegenhangers.

Beperkt begrip van de interne magnetische structuur van antiferromagnetische materialen en apparaten is een groot obstakel voor het manipuleren en efficiënt gebruiken van variaties in hun magnetische toestand. In werk dat licht werpt op een nieuwe reeks antiferromagnetische materialen, een internationaal onderzoeksteam onder leiding van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), het Marine Research Laboratory van de Verenigde Staten, de Johns Hopkins-universiteit, het Instituut voor Vaste-stoffysica (ISSP), en de Universiteit van Tokyo hebben een metalen antiferromagneet (Mn ₃ Sn) die een groot spontaan magneto-optisch Kerr-effect (MOKE) vertoont, ondanks een verdwijnende totale magnetisatie bij kamertemperatuur. Een metalen antiferromagneet met een grote spontane MOKE belooft een essentieel hulpmiddel te zijn voor toekomstige antiferromagnetische geheugenapparaten, waar de toestand van het apparaat optisch kan worden gelezen en optisch of met een spin-gepolariseerde elektrische stroom kan worden geschakeld.

Het magneto-optische Kerr-effect onderzoekt de lokale magnetisatieprojectie op de golfvector van een inkomende lichtstraal. In de meeste antiferromagnetische materialen, de onderling tegengestelde draairichtingen leiden tot een opheffing van dit effect, en daarom wordt aangenomen dat MOKE nutteloos is voor de studie van antiferromagneten. Zoals de wetenschappers van het internationale team hebben aangetoond, echter, het antiferromagnetische metaal Mn ₃ Sn vertoont een grote MOKE met een MOKE-rotatiehoek van 20 milli-graden bij een magnetisch veld nul, ondanks zijn magnetisatie van bijna nul, wat inderdaad vergelijkbaar is met ferromagnetische metalen.

Een eenvoudige volgorde van een antiferromagneet is collineair, waarin naburige spins binnen een antiferromagnetisch domein hun spins antiparallel hebben uitgelijnd, waarbij de pijl van één spin naar boven wijst terwijl de aangrenzende spin naar beneden wijst. Mn ₃ Sn vertoont een ongebruikelijke chirale spinvolgorde, waarin elke spin 120 graden tegen de klok in wordt gedraaid ten opzichte van haar buurman in sets van drie spins gecentreerd op de hoekpunten van een gelijkzijdige driehoek gevormd door Mn-atomen van de Mn ₃ Sn kristal. Hoewel er geen netto magnetisatie is in zowel de collineaire als de niet-collineaire 120-graden spinsystemen - hetzelfde als een dipoolmoment nul - een opkomende, niet-verdwijnend octupoolmoment is aanwezig in het spinsysteem van Mn ₃ sn. Dit achtpoolmoment interageert met licht op dezelfde manier als een ferromagneet en geeft aanleiding tot de grote MOKE in Mn ₃ sn.

Het internationale onderzoeksteam, waaronder NIST-wetenschappers Daniel Gopman en Robert Shull, en U. Tokyo-onderzoekers Tomoya Higo en Satoru Nakatsuji, rapporteren hun bevindingen in de 26 januari, 2018 uitgave van Natuurfotonica .

De MOKE in Mn ₃ Sn maakt real-time beeldvorming van magnetische domeinen mogelijk. Door MOKE-microscopie te gebruiken, de onderzoekers demonstreren voor het eerst het domein-omkeringsproces in Mn ₃ sn. Deze bevinding geeft aan dat het waargenomen Kerr-effect niet alleen nuttig kan zijn voor de studie van de dynamiek van antiferromagnetische domeinen, maar ook om op afstand de informatie die magnetisch is opgeslagen in de antiferromagneet te lezen. Lopende onderzoeken proberen de verwerkingsomstandigheden te ontwikkelen voor het produceren van dunne film en nanoschaal Mn ₃ Sn met de voordelige magnetische eigenschappen ontdekt in bulk eenkristallen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.