Soms heeft een goede theorie alleen de juiste materialen nodig om het te laten werken. Dat is het geval met recente bevindingen van UT-fysici en hun collega's, die een tweedimensionaal magnetisch systeem ontwierp dat wijst op de mogelijkheid van apparaten met verhoogde veiligheid en efficiëntie, met slechts een kleine hoeveelheid energie. Door gebruik te maken van een verborgen symmetrie in het materiaal, hun resultaten ondersteunen een theorie die 20 jaar geleden voor het eerst werd voorgesteld.

Controle behouden zonder flexibiliteit te verliezen

Mensen weten al sinds de oudheid over magnetisme, maar leren nog steeds hoe het werkt, vooral op de kwantumschaal. Bij ferromagneten, atomen en hun buren hebben magnetische momenten (veroorzaakt door spin) die allemaal in dezelfde richting zijn uitgelijnd. We kunnen die richting gemakkelijk controleren door een extern magnetisch veld. Bij antiferromagneten, echter, de magnetische momenten anti-aligneren met hun buren en wisselen elkaar één voor één af. Deze microscopische spin-uitlijning schermt perfect elk extern magnetisch veld af en is verborgen voor de buitenwereld. Antiferromagneten werden ontdekt door Louis Néel in 1948, maar werden in zijn Nobellezing van 1970 beschreven als theoretisch interessant maar technologisch nutteloos.

Jian Liu, assistent-professor natuurkunde, legde uit dat spins in een antiferromagneet over het algemeen hoe dan ook kunnen roteren, zolang de anti-uitlijning wordt gehandhaafd. Maar, als de interactie tussen de atomen anistroop is, "het zal de spin een bepaalde voorkeursrichting geven." Dit is de DM (Dzyaloshinskii-Moriya) interactie afkomstig van relativistisch effect, en Liu legde uit dat het twee dingen doet. Eerst, het kantelt (of kantelt) de spins iets weg van de perfecte anti-uitlijning, wat goed is, want dit betekent dat een extern magnetisch veld niet volledig wordt afgeschermd en kan worden gekoppeld aan de gekantelde spins, zelfs als ze gewankeld zijn. Er is een afweging, echter, in dat terwijl deze interactie kantelen mogelijk maakt, het geeft de richting aan.

"Dus je krijgt wat controle, "Lou zei, "maar je verliest ook wat flexibiliteit. En dat egaliseert."

Om dit probleem te omzeilen, hij en een team van collega-onderzoekers maakten gebruik van een verborgen spinsymmetrie:SU (2).

"SU(2) is eigenlijk een terminologie die theoretici en wiskundigen gebruiken in groepentheorie, ' zei Liu. 'Wat het betekent is dat spin isotroop is - het kan in elke gewenste richting wijzen.'

Maar hoe, precies, is deze symmetrie verborgen?

Liu zei dat het zich verbergt als je de dingen alleen op lokale schaal bekijkt.

"Bijvoorbeeld, als je in één draai zit, en je kijkt om je heen, je ziet een zeer anisotrope omgeving, "legde hij uit. "Kortom, de andere spins - je buren - vertellen je dat je (op een bepaalde manier) niet moet kunnen om compatibel te zijn met hen. Als je op een zeer globale schaal kijkt - als je alle spins in ogenschouw neemt - blijkt dat het hele systeem perfect isotroop is en deze rotatiesymmetrie behoudt.

"Je kunt er zo over denken, " hij ging verder, "honderd jaar geleden, mensen dachten dat de aarde plat was. Dat komt omdat we op een zeer lokale schaal zaten. We dachten dat als we in één richting zouden blijven lopen, we nooit meer op hetzelfde punt terug zouden komen. Maar het blijkt dat de aarde een bol is, dus als je verder naar het noorden loopt, passeer je op een gegeven moment de paal en dan kom je terug. Dus als je de aarde op wereldschaal bekijkt, je ziet dat het rotatiesymmetrie heeft, die je niet zou merken als je aan de oppervlakte gebonden bent."

Net genoeg ruimte toevoegen

De rol van deze globale symmetrie in antiferromagnetische systemen werd eigenlijk twee decennia geleden voorspeld. Liu zei, hoewel de theorie fascinerend was, het materiaal dat werd gebruikt om het te testen was niet geschikt voor de taak.

Voor hun studie, hij en zijn collega's kweekten monsters gemaakt van strontium, iridium, en zuurstof (SrIrO3), evenals strontium, titanium, en zuurstof (SrTiO3) en, met behulp van gepulste laserdepositie, kweekte ze op een basislaag van SrTiO3 met een dikte van slechts één kristal. Ze concentreerden zich op drie punten:de chemie van het materiaal, behoud van de symmetrie, en een cruciale extra laag. Iridium bleek een belangrijke keuze omdat het voor een sterke DM-interactie zorgde. De structuur maakt de verborgen symmetrie mogelijk, grotendeels omdat het team de lagen scheidde met een "spacer" van SrTiO3, zodat elke laag zijn eigen tweedimensionale eigenschappen zou hebben.

De inspiratie voor dit onderzoek kwam vorig jaar nadat Liu en collega-wetenschappers resultaten publiceerden over het beheersen van ultrafijne materialen in Fysieke beoordelingsbrieven . Hij legde uit dat zodra ze een manier hadden gevonden om de lagen te scheiden om intrinsieke tweedimensionale eigenschappen te onderzoeken, ze realiseerden zich dat ze een materiaal hadden dat de symmetrietheorie kon testen.

Veiligere systemen; Sneller schakelen

Naast wetenschappelijke ontdekkingen, deze nieuwste onderzoeksresultaten bieden ook het potentieel om antiferromagnetisme te beheersen voor veiligere en efficiëntere apparaten.

Zoals Liu uitlegde, de meeste huidige magnetische apparaten zijn gebaseerd op ferromagnetische materialen.

"Echter, we komen aan de limiet van de prestaties van ferromagneten, " zei hij. "We moeten een andere manier vinden om de technische barrière te overwinnen. Antiferromagnetisme biedt een andere optie. Bijvoorbeeld, antiferromagnetische materialen hebben deze anti-uitgelijnde spin. Dus als je naar een antiferromagneet kijkt, er is geen magnetisch veld omheen. Het lijkt jou eigenlijk niet anders dan een materiaal dat niet magnetisch is, omdat ze elkaar volledig compenseren."

Wat dat betekent, hij ging verder, is dat we niet willen dat de bits op de harde schijf van onze computer te dicht bij elkaar komen, omdat elk bit één ferromagneet is. Dit beperkt de dichtheid van de informatieopslag.

"Als de bits antiferromagnetisch zijn, ze zullen magnetisch onzichtbaar zijn voor elkaar, en je kunt ze naast elkaar verpakken, " zei hij. "In wezen zal de opslagcapaciteit dramatisch toenemen."

Een ander mogelijk voordeel is het efficiënter inschakelen van apparaten.

Liu zei dat het op en neer schakelen van de spins in ferromagnetisme een langzaam en energie-kostbaar proces is, omdat we het magnetische veld op macroscopische schaal moeten omdraaien. Met de anti-uitgelijnde spins in antiferromagneten onder de verborgen symmetrie, hij zei, "het vertoont geen magnetisch veld, en we hoeven alleen maar een klein beetje energie te gebruiken om het aan en uit te zetten of te draaien. De hoeveelheid energie die we in het systeem stoppen is erg klein vergeleken met de zelf-anti-uitlijningsenergie, maar de spins reageren nog steeds onmiddellijk, en dat maakt het overstapproces een stuk sneller."

Het belang van samenwerking en investeringen

De eerste resultaten waren zeer bemoedigend, toch wilde het experimentele team wat extra verificatie.

"In het begin konden we niet geloven wat we zagen, omdat de effecten erg sterk waren en de hoeveelheid energie die je in het systeem stopt een duizendste is van (zijn) interne energie, ' legde hij uit. 'Het klinkt bijna te mooi om waar te zijn.'

Voor validatie, ze legden hun vragen voor aan UT-hoogleraar natuurkunde (en Lincoln-leerstoel) Cristian Batista, een theoreticus in de fysica van de gecondenseerde materie.

"Hij leidde ons door alle details van de theorie en hij kwam met de verklaring:niet alleen kwalitatief maar eigenlijk kwantitatief, " zei Liu. "Hij deed de simulatie en ontdekte dat alles perfect voldeed aan de vereisten voor die theorie van verborgen symmetrie."

De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurfysica .