Soms produceren combinaties van verschillende dingen effecten die niemand verwacht, zoals wanneer volledig nieuwe eigenschappen verschijnen die de twee gecombineerde delen op zichzelf niet hebben. Dr. Libor Šmejkal van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) vond zo'n onverwachte eigenschap:hij combineerde antiferromagnetische stoffen met niet-magnetische atomen en ontdekte dat, in tegenstelling tot de huidige leer, er treedt een Hall-stroom op - wat niet het geval is met antiferromagnetische of niet-magnetische stoffen afzonderlijk.

Dit zou een heel nieuw potentieel voor nano-elektronica kunnen bieden. Aan de ene kant, deze materiaalcombinaties komen zeer vaak voor in de natuur. Daarom, deze ontdekking heeft het potentieel om de groeiende vraag naar zeldzame zware elementen in conventionele magneto-elektronica terug te draaien en, in plaats daarvan, richt het onderzoek en de toepassingen op overvloedige materialen. Verder, de Hall-stroom vertoont een lage energiedissipatie. Dit is vooral belangrijk in het licht van het feit dat informatietechnologie de grootste energieverbruiker in de industrie wordt. Omdat de materialen geen magnetisch veld naar buiten hebben en dus magnetisch onzichtbaar zijn, ze kunnen zeer strak worden verpakt en maken een hoge mate van miniaturisatie van nano-elektronica mogelijk. Deze voorheen over het hoofd geziene materialen scoren ook qua snelheid, aangezien ze een vele malen grotere snelheid toelaten dan ferromagneten, zodat de frequenties konden worden verschoven van het gigahertz-bereik naar het terahertz-bereik. Kortom:de ontdekking heeft een speciale plaats in het snelgroeiende nieuwe veld van antiferromagnetische magneto-elektronica, wat ook wel spintronica wordt genoemd. Dr. Libor Šmejkal en zijn collega's van de Universiteit van Mainz publiceerden onlangs hun resultaten in: wetenschappelijke vooruitgang .

Wat is de Hall-stroom?

Om het onderzoek van Šmejkal te begrijpen, men moet beginnen met het Hall-effect, genoemd naar de natuurkundige professor Edwin Hall. Als een spanning wordt toegepast op conventionele niet-magnetische geleiders zoals koper, de stroom vloeit in de richting die wordt gegeven door het elektrische veld. Echter, als een extern magnetisch veld wordt toegevoegd, de stroom buigt weg van de toegepaste richting. Deze extra dwarscomponent staat bekend als de Hall-stroom. Het beschreven Hall-effect is gebruikt voor het karakteriseren van halfgeleiders, die de moderne siliciumelektronica vormde. Hall's tweede ontdekking:de interne magnetisatie van een ferromagnetische geleider zoals ijzer kan ook leiden tot een dergelijke kruisstroomafbuiging. Dit maakte het Hall-effect ook een van de hoekstenen van de magneto-elektronica, een breed veld dat zich uitstrekt van sensor- tot geheugentechnologieën.

De ontdekking van antiferromagneten, die in de natuur veel vaker voorkomen dan ferromagneten, wordt toegeschreven aan professor Louis Néel. Hierin zijn de magnetische momenten van de atomen in tegengestelde richtingen georiënteerd. De effecten die in ferromagneten worden waargenomen, heffen elkaar daarom op - inclusief de Hall-stroom. De antiferromagneten gedragen zich naar buiten toe zoals de gebruikelijke niet-magnetische geleiders en zijn daarom niet toepasbaar voor magneto-elektronica.

Ongebruikelijk effect:Hall-stroom in antiferromagets

Het is al decennia bekend dat niet-magnetische en antiferromagnetische kristallen geen Hall-stromen hebben. Dr. Libor Šmejkal, echter, vond een kristal met een intrigerende combinatie van niet-magnetische en antiferromagnetische atomen die een sterke Hall-stroom produceren. Opmerkelijk, kristallen met antiferromagnetische en niet-magnetische atomen zijn niet ongewoon in de natuur, maar eerder wijdverbreid.

"Doorbreken met de conventionele wetenschappelijke wijsheid vereist buitengewone talenten en vaardigheden, " zei onderzoeksgroepdirecteur professor Jairo Sinova. "Dit is ook het geval met Dr. Libor Šmejkal. Hij is een uitzonderlijk natuurkundig talent dat, als pas afgestudeerd doctoraat, geniet nu al de reputatie van een internationale leider in zijn vakgebied."

Šmejkal verdedigde zijn Ph.D. proefschrift nog maar een paar maanden geleden, maar heeft al een tiental uitgenodigde lezingen gegeven op internationale conferenties en verschillende papers gepubliceerd in hoogwaardige wetenschappelijke tijdschriften. Direct na de Ph.D. verdediging, Šmejkal nam de positie in van een onafhankelijke teamleider in de INSPIRE-groep van het JGU Institute of Physics.