Een team van onderzoekers van de Technische Universiteit van München, het Walther-Meissner-instituut van de Beierse Academie van Wetenschappen en Geesteswetenschappen, en de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Trondheim heeft een opwindende methode ontdekt voor het regelen van spin die wordt gedragen door gekwantiseerde spingolfexcitaties in antiferromagnetische isolatoren.

Elementaire deeltjes dragen een intrinsiek impulsmoment dat bekend staat als hun spin. Voor een elektron, de spin kan slechts twee bepaalde waarden aannemen ten opzichte van een kwantiseringsas, waardoor we ze kunnen aanduiden als spin-up en spin-down elektronen. Deze intrinsieke dubbelwaarde van de elektronenspin vormt de kern van vele fascinerende effecten in de natuurkunde.

In de huidige informatietechnologie, de spin van een elektron en het bijbehorende magnetische momentum worden benut in toepassingen van informatieopslag en uitlezing van magnetische media, zoals harde schijven en magneetbanden.

Antiferromagneten:toekomstige sterren in magnetische gegevensopslag?

Beide, de opslagmedia en de uitleessensoren maken gebruik van ferromagnetisch geordende materialen, waar alle magnetische momenten evenwijdig uitlijnen. Echter, de momenten kunnen zich op een meer complexe manier oriënteren. Bij antiferromagneten, de antagonist van een ferromagneet, naburige momenten aligneren op een anti-parallelle manier. Hoewel deze systemen er van buiten "niet-magnetisch" uitzien, ze hebben brede aandacht getrokken omdat ze robuustheid beloven tegen externe magnetische velden en snellere controle. Dus, ze worden beschouwd als de nieuwelingen op het gebied van toepassingen in magnetische opslag en onconventionele computers.

Een belangrijke vraag in dit verband is:of en hoe informatie kan worden getransporteerd en gedetecteerd in antiferromagneten. Onderzoekers van de Technische Universiteit van München, het Walther-Meissner-Instituut en de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Trondheim bestudeerden in dit verband de antiferromagnetische isolator hematiet.

In dit systeem, ladingsdragers ontbreken en daarom is het een bijzonder interessant testbed voor het onderzoeken van nieuwe toepassingen, waarbij men streeft naar het vermijden van dissipatie door een eindige elektrische weerstand. De wetenschappers ontdekten een nieuw effect dat uniek is voor het transport van antiferromagnetische excitaties, wat nieuwe mogelijkheden opent voor informatieverwerking met antiferromagneten.

Ontketenen van de pseudospin in antiferromagneten

Dr. Matthias Althammer, de hoofdonderzoeker van het project beschrijft het effect als volgt:"In de antiferromagnetische fase, naburige spins worden op een antiparallelle manier uitgelijnd. Echter, er zijn gekwantiseerde excitaties die magnons worden genoemd. Die dragen informatie gecodeerd in hun spin en kunnen zich in het systeem voortplanten. Door de twee antiparallel gekoppelde spinsoorten in de antiferromagneet is de excitatie complex van aard, echter, zijn eigenschappen kunnen in een effectieve spin worden gegoten, een pseudospin. We konden experimenteel aantonen dat we deze pseudospin kunnen manipuleren, en de voortplanting ervan met een magnetisch veld."

Dr. Akashdeep Kamra, de hoofdtheoreticus van NTNU in Trondheim voegt eraan toe dat "deze afbeelding van de excitaties van een antiferromagneet op een pseudospin een begrip en een krachtige benadering mogelijk maakt die de cruciale basis is geweest voor de behandeling van transportverschijnselen in elektronische systemen. In ons geval, dit stelt ons in staat om de dynamiek van het systeem op een veel eenvoudigere manier te beschrijven, maar handhaaf nog steeds een volledige kwantitatieve beschrijving van het systeem. Het belangrijkste is, de experimenten bieden een proof-of-concept voor de pseudospin, een concept dat nauw verwant is aan de fundamentele kwantummechanica."

Het volledige potentieel van antiferromagnetische magnonen ontsluiten

Deze eerste experimentele demonstratie van magnon-pseudospin-dynamiek in een antiferromagnetische isolator bevestigt niet alleen de theoretische vermoedens over magnontransport in antiferromagneten, maar biedt ook een experimenteel platform om uit te breiden naar rijke, op elektronica geïnspireerde fenomenen.

"Misschien kunnen we fascinerende nieuwe dingen realiseren, zoals de magnon-analoog van een topologische isolator in antiferromagnetische materialen", zegt Rudolf Gross, directeur van het Walther-Meissner-Instituut, Professor voor Technische Natuurkunde (E23) aan de Technische Universiteit van München en medespreker voor het cluster van excellentie München Centrum voor Quantum Wetenschap en Technologie (MCQST). "Ons werk biedt een opwindend perspectief voor kwantumtoepassingen op basis van magnonen in antiferromagneten"