Er is een exotische vorm van magnetisme ontdekt en gekoppeld aan een even exotisch type elektronen, volgens wetenschappers die een nieuw kristal analyseerden waarin ze voorkomen bij het National Institute of Standards and Technology (NIST). Het magnetisme wordt gecreëerd en beschermd door de unieke elektronische structuur van het kristal, het aanbieden van een mechanisme dat kan worden misbruikt voor snelle, robuuste apparaten voor informatieopslag.

Het nieuw uitgevonden materiaal heeft een ongebruikelijke structuur die elektriciteit geleidt, maar ervoor zorgt dat de stromende elektronen zich gedragen als massaloze deeltjes. waarvan het magnetisme is gekoppeld aan de richting van hun beweging. Bij andere materialen, dergelijke Weyl-elektronen hebben nieuw gedrag uitgelokt met betrekking tot elektrische geleidbaarheid. In dit geval, echter, de elektronen bevorderen de spontane vorming van een magnetische spiraal.

"Ons onderzoek toont een zeldzaam voorbeeld van deze deeltjes die collectief magnetisme aandrijven, " zei Collin Broholm, een natuurkundige aan de Johns Hopkins University die het experimentele werk leidde bij het NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Ons experiment illustreert een unieke vorm van magnetisme die kan ontstaan ​​uit Weyl-elektronen."

De bevindingen, die verschijnen in Natuurmaterialen , onthullen een complexe relatie tussen het materiaal, de elektronen die er als stroom doorheen stromen en het magnetisme dat het materiaal vertoont.

In een koelkastmagneet, we stellen ons soms voor dat elk van zijn ijzeratomen een staafmagneet heeft die het doorboort met zijn 'noordpool' in een bepaalde richting. Deze afbeelding verwijst naar de spin-oriëntaties van de atomen, die parallel lopen. Het materiaal dat het team bestudeerde is anders. Het is een "halfmetaal" gemaakt van silicium en de metalen aluminium en neodymium. Samen vormen deze drie elementen een kristal, wat inhoudt dat de samenstellende atomen zijn gerangschikt in een regelmatig herhalend patroon. Echter, het is een kristal dat de inversiesymmetrie doorbreekt, wat betekent dat het herhalende patroon aan de ene kant van de eenheidscellen van een kristal - de kleinste bouwsteen van een kristalrooster - anders is dan aan de andere kant. Deze opstelling stabiliseert de elektronen die door het kristal stromen, die op hun beurt ongewoon gedrag in zijn magnetisme veroorzaken.

De stabiliteit van de elektronen manifesteert zich als een uniformiteit in de richting van hun spins. In de meeste materialen die elektriciteit geleiden, zoals koperdraad, de elektronen die door de draad stromen hebben spins die in willekeurige richtingen wijzen. Niet zo in het halfmetaal, waarvan de gebroken symmetrie de stromende elektronen transformeert in Weyl-elektronen waarvan de spins zijn georiënteerd in de richting waarin het elektron reist of precies in de tegenovergestelde richting. Het is deze vergrendeling van de spins van de Weyl-elektronen in hun bewegingsrichting - hun momentum - die het zeldzame magnetische gedrag van het halfmetaal veroorzaakt.

De drie soorten atomen van het materiaal geleiden allemaal elektriciteit, voorzien van springplanken voor elektronen terwijl ze van atoom naar atoom springen. Echter, alleen de neodymium (Nd) atomen vertonen magnetisme. Ze zijn gevoelig voor de invloed van de Weyl-elektronen, die het Nd-atoom op een merkwaardige manier doen draaien. Kijk langs een willekeurige rij Nd-atomen die zich diagonaal door het halfmetaal uitstrekt, en je zult zien wat het onderzoeksteam een ​​'spinspiraal' noemt.

"Een vereenvoudigde manier om het voor te stellen is dat de spin van het eerste Nd-atoom naar 12 uur wijst, dan de volgende om 4 uur, dan de derde tot 8 uur, ' zei Broholm. 'Dan herhaalt het patroon zich. Deze prachtige spin-'textuur' wordt aangedreven door de Weyl-elektronen terwijl ze naburige Nd-atomen bezoeken."

Er was een samenwerking tussen vele groepen binnen het Institute for Quantum Matter aan de Johns Hopkins University nodig om het speciale magnetisme dat in het kristal ontstaat te onthullen. Het omvatte groepen die werkten aan kristalsynthese, geavanceerde numerieke berekeningen en experimenten met neutronenverstrooiing.

"Voor de neutronenverstrooiing, we hebben enorm geprofiteerd van de uitgebreide hoeveelheid neutronendiffractiebundeltijd die voor ons beschikbaar was in het NIST Center for Neutron Research, " zei Jonathan Gaudet, een van de co-auteurs van het artikel. "Zonder de straaltijd, we zouden deze prachtige nieuwe fysica hebben gemist."

Elke lus van de spinspiraal is ongeveer 150 nanometer lang, en de spiralen verschijnen alleen bij koude temperaturen onder 7 K. Broholm zei dat er materialen zijn met vergelijkbare fysieke eigenschappen die functioneren bij kamertemperatuur, en dat ze kunnen worden gebruikt om efficiënte magnetische geheugenapparaten te maken.

"Magnetische geheugentechnologie, zoals harde schijven, vereist meestal dat je een magnetisch veld creëert om ze te laten werken, " zei hij. "Met deze klasse van materialen, u kunt informatie opslaan zonder dat u een magnetisch veld hoeft aan te leggen of te detecteren. Elektrisch lezen en schrijven van de informatie gaat sneller en robuuster."

Het begrijpen van de effecten die de Weyl-elektronen aandrijven, zou ook licht kunnen werpen op andere materialen die natuurkundigen tot consternatie hebben gebracht.

"Fundamenteel, we kunnen misschien een verscheidenheid aan materialen maken met verschillende interne spin-eigenschappen - en misschien hebben we dat al, Broholm zei. "Als gemeenschap, we hebben veel magnetische structuren gecreëerd die we niet meteen begrijpen. Na het speciale karakter van door Weyl gemedieerd magnetisme te hebben gezien, we kunnen eindelijk zulke exotische magnetische structuren begrijpen en gebruiken."