Wetenschap
Een domeinmuur (grijs paneel in het midden) scheidt gebieden met verschillende spinoriëntaties (groene en blauwe pijlen). MIT-onderzoekers ontdekten dat een magnetisch veld dat onder een bepaalde hoek door een enkel kristal van een nieuw magnetisch kwantummateriaal wordt aangelegd, het voor elektronen moeilijker maakt om deze domeinmuur te passeren. Krediet:Leon Balents
In veel materialen, elektrische weerstand en spanningsverandering in aanwezigheid van een magnetisch veld, meestal soepel variëren als het magnetische veld roteert. Deze eenvoudige magnetische respons ligt ten grondslag aan vele toepassingen, waaronder contactloze stroomdetectie, bewegingsdetectie, en gegevensopslag. In een kristal, de manier waarop de lading en spin van zijn elektronen op één lijn liggen en op elkaar inwerken, ligt ten grondslag aan deze effecten. Gebruik makend van de aard van de afstemming, symmetrie genoemd, is een belangrijk ingrediënt bij het ontwerpen van een functioneel materiaal voor elektronica en het opkomende gebied van op spin gebaseerde elektronica (spintronica).
Onlangs heeft een team van onderzoekers van MIT, het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) en de École Normale Supérieure (ENS) de Lyon, Universiteit van Californië in Santa Barbara (UCSB), de Hong Kong Universiteit voor Wetenschap en Technologie (HKUST), en NIST Centrum voor Neutronenonderzoek, onder leiding van Joseph G. Checkelsky, assistent-professor natuurkunde aan het MIT, heeft een nieuw type magnetisch aangedreven elektrische respons ontdekt in een kristal bestaande uit cerium, aluminium, germanium, en silicium.
Bij temperaturen onder 5,6 kelvin (overeenkomend met -449,6 graden Fahrenheit), deze kristallen vertonen een scherpe verbetering van de elektrische weerstand wanneer het magnetische veld nauwkeurig is uitgelijnd binnen een hoek van 1 graad langs de hoge symmetrierichting van het kristal. Dit effect, die de onderzoekers "singular angle magnetoweerstand, " kan worden toegeschreven aan de symmetrie-in het bijzonder, de ordening van de magnetische momenten van de ceriumatomen. Hun resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .
Nieuwe respons en symmetrie
Als een ouderwetse klok die is ontworpen om om 12.00 uur te luiden en op geen enkele andere positie van de wijzers, de nieuw ontdekte magnetoweerstand treedt alleen op als de richting, of vector, van het magnetische veld is recht gericht in lijn met de hoog-symmetrie-as in de kristalstructuur van het materiaal. Draai het magnetische veld meer dan een graad van die as af en de weerstand daalt abrupt.
"In plaats van te reageren op de afzonderlijke componenten van het magnetische veld als een traditioneel materiaal, hier reageert het materiaal op de absolute vectorrichting, " zegt Takehito Suzuki, een onderzoeker in de Checkelsky-groep die deze materialen synthetiseerde en het effect ontdekte. "De waargenomen scherpe verbetering, die we singuliere hoekige magnetoweerstand noemen, impliceert een afzonderlijke staat die alleen onder die omstandigheden wordt gerealiseerd."
Magnetoweerstand is een verandering in de elektrische weerstand van een materiaal als reactie op een aangelegd magnetisch veld. Een gerelateerd effect dat bekend staat als gigantische magnetoweerstand, vormt de basis voor moderne computerharde schijven en de ontdekkers ervan kregen in 2007 de Nobelprijs.
"De waargenomen verbetering is zo sterk beperkt met het magnetische veld langs de kristallijne as in dit materiaal dat het sterk suggereert dat symmetrie een cruciale rol speelt, " Lucile Savary, vaste CNRS-onderzoeker bij ENS de Lyon, voegt toe. Savary was een Betty en Gordon Moore Postdoctoral Fellow aan het MIT van 2014-17, toen het team begon samen te werken.
Om de rol van de symmetrie te verduidelijken, het is cruciaal om de uitlijning van de magnetische momenten te zien, waarvoor Suzuki en Jeffrey Lynn, NIST collega, voerde poederneutronendiffractiestudies uit op de BT-7 drie-assige spectrometer bij het NIST Center for Neutron Research (NCNR). Het onderzoeksteam gebruikte de neutronendiffractiemogelijkheden van de NCNR om de magnetische structuur van het materiaal te bepalen, die een essentiële rol speelt bij het begrijpen van de topologische eigenschappen en de aard van de magnetische domeinen. Een "topologische toestand" is een toestand die beschermd is tegen gewone wanorde. Dit was een sleutelfactor bij het ontrafelen van het mechanisme van de singuliere respons.
Op basis van het waargenomen ordeningspatroon, Savary en Leon Balents, professor en permanent lid van Kavli Institute of Theoretical Physics aan UCSB, construeerde een theoretisch model waarin de spontane symmetriebreking veroorzaakt door de ordening van het magnetische moment koppelt aan het magnetische veld en de topologische elektronische structuur. Als gevolg van de koppeling, schakelen tussen de uniform geordende toestanden met lage en hoge weerstand kan worden gemanipuleerd door de nauwkeurige regeling van de magnetische veldrichting.
"De overeenkomst van het model met de experimentele resultaten is uitstekend en was de sleutel tot het begrijpen van wat een mysterieuze experimentele observatie was, " zegt Checkelsky, senior auteur van de krant.
Universaliteit van het fenomeen
"De interessante vraag hier is of de singuliere hoekige magnetoweerstand op grote schaal kan worden waargenomen in magnetische materialen en, als deze functie overal kan worden waargenomen, wat is het belangrijkste ingrediënt voor het engineeren van de materialen met dit effect, ' Zegt Suzuki.
Het theoretische model geeft aan dat de singuliere respons inderdaad kan worden gevonden in andere materialen en voorspelt materiaaleigenschappen die gunstig zijn voor het realiseren van deze functie. Een van de belangrijke ingrediënten is een elektronische structuur met een klein aantal gratis kosten, die optreedt in een puntachtige elektronische structuur die nodaal wordt genoemd. Het materiaal in deze studie heeft zogenaamde Weyl-punten die dit bereiken. Bij dergelijke materialen de toegestane elektronenmomenta hangt af van de configuratie van de magnetische orde. Een dergelijke beheersing van de impulsen van deze ladingen door de magnetische vrijheidsgraad stelt het systeem in staat schakelbare interfacegebieden te ondersteunen waar de impulsen niet overeenkomen tussen domeinen van verschillende magnetische orde. Deze mismatch leidt ook tot de grote toename in resistentie die in dit onderzoek is waargenomen.
Deze analyse wordt verder ondersteund door de eerste-principes elektronische structuurberekening uitgevoerd door Jianpeng Liu, onderzoeksassistent professor aan de HKUST, en Balents. Met behulp van meer traditionele magnetische elementen zoals ijzer of kobalt, in plaats van cerium van zeldzame aarde, kan een potentieel pad bieden voor observatie bij hogere temperatuur van het enkelvoudige hoekige magnetoweerstandseffect. De studie sloot ook een verandering in de rangschikking van de atomen uit, zogenaamde structurele faseovergang, als een oorzaak van de verandering in soortelijke weerstand van het op cerium gebaseerde materiaal.
Kenneth Burch, afgestudeerd programmadirecteur en universitair hoofddocent natuurkunde aan het Boston College, wiens lab Weyl-materialen onderzoekt, merkt op:"De ontdekking van een opmerkelijke gevoeligheid voor magnetische hoeken is een volkomen onverwacht fenomeen in deze nieuwe klasse van materialen. Dit resultaat suggereert niet alleen nieuwe toepassingen van Weyl-halfmetalen in magnetische detectie, maar de unieke koppeling van elektronisch vervoer, chiraliteit en magnetisme." Chiraliteit is een aspect van elektronen gerelateerd aan hun spin waardoor ze ofwel een linkshandige of rechtshandige oriëntatie geven.
De ontdekking van deze scherpe maar nauw begrensde weerstandspiek zou uiteindelijk door ingenieurs kunnen worden gebruikt als een nieuw paradigma voor magnetische sensoren. Opmerkingen Checkelsky, "Een van de opwindende dingen over fundamentele ontdekkingen in magnetisme is het potentieel voor snelle acceptatie van nieuwe technologieën. Met de ontwerpprincipes nu in de hand, we werpen een breed net uit om dit fenomeen te vinden in robuustere systemen om dit potentieel te ontsluiten."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com