Ferromagnetisme en antiferromagnetisme zijn bij wetenschappers al lang bekend als twee klassen van magnetische orde van materialen. In 2019 postuleerden onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) een derde klasse van magnetisme, genaamd altermagnetisme. Dit altermagnetisme is sindsdien het onderwerp van verhitte debatten onder experts, waarbij sommigen twijfels uiten over het bestaan ​​ervan.

Onlangs kon een team van experimentele onderzoekers onder leiding van professor Hans-Joachim Elmers van JGU voor het eerst bij DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) een effect meten dat wordt beschouwd als een signatuur van altermagnetisme, en daarmee bewijs leveren voor het bestaan van dit derde type magnetisme. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Science Advances .

Altermagnetisme:een nieuwe magnetische fase

Terwijl bij ferromagneten, die we allemaal kennen van koelkastmagneten, al hun magnetische momenten in dezelfde richting zijn uitgelijnd, hebben antiferromagneten afwisselende magnetische momenten. Dus op macroscopisch niveau heffen de magnetische momenten van antiferromagneten elkaar op, zodat er geen extern magnetisch veld is, waardoor koelkastmagneten van dit materiaal eenvoudigweg van de koelkastdeur zouden vallen.

De magnetische momenten in altermagneten verschillen in de manier waarop ze georiënteerd zijn. "Altermagneten combineren de voordelen van ferromagneten en antiferromagneten. Hun aangrenzende magnetische momenten zijn altijd antiparallel aan elkaar, zoals bij antiferromagneten, dus er is geen macroscopisch magnetisch effect, maar tegelijkertijd vertonen ze een spin-gepolariseerde stroom - net als ferromagneten", legt professor Hans-Joachim Elmers uit, hoofd van de Magnetisme-groep aan het JGU's Institute of Physics.

Bewegen in dezelfde richting met uniforme spin

Elektrische stromen genereren meestal magnetische velden. Als je echter een altermagneet als geheel beschouwt, waarbij de spinpolarisatie in de elektronische banden in alle richtingen wordt geïntegreerd, wordt het duidelijk dat het magnetische veld ondanks de spin-gepolariseerde stroom nul moet zijn. Als de aandacht daarentegen beperkt wordt tot die elektronen die in een bepaalde richting bewegen, is de conclusie dat ze een uniforme spin moeten hebben.

"Dit uitlijningsfenomeen heeft niets te maken met ruimtelijke arrangementen of waar de elektronen zich bevinden, maar alleen met de richting van de elektronensnelheid", voegde Elmers eraan toe. Omdat snelheid (v) maal massa (M) gelijk is aan momentum (P), gebruiken natuurkundigen in deze context de term 'momentumruimte'. Dit effect werd in het verleden voorspeld door theoretische groepen bij JGU onder leiding van professor Jairo Sinova en Dr. Libor Šmejkal.

Bewijs verkregen met behulp van momentum-elektronenmicroscopie

"Ons team was de eerste die het effect experimenteel verifieerde", zei Elmers. De onderzoekers gebruikten een speciaal aangepaste momentummicroscoop. Voor hun experiment stelde het team een ​​dunne laag rutheniumdioxide bloot aan röntgenstraling. De resulterende excitatie van de elektronen was voldoende voor hun emissie uit de rutheniumdioxidelaag en hun detectie.

Op basis van de snelheidsverdeling konden de onderzoekers de snelheid van de elektronen in het rutheniumdioxide bepalen. En met behulp van circulair gepolariseerde röntgenstraling konden ze zelfs de draairichtingen afleiden.

Voor hun momentummicroscoop veranderden de onderzoekers het brandpuntsvlak dat normaal gesproken wordt gebruikt voor observatie in standaard elektronenmicroscopen. In plaats van een vergroot beeld van het oppervlak van de rutheniumoxidefilm toonde hun detector een weergave van de momentumruimte.

"Verschillende impulsen verschijnen op verschillende posities op de detector. Simpel gezegd:de verschillende richtingen waarin de elektronen in een laag bewegen, worden weergegeven door overeenkomstige stippen op de detector", aldus Elmers.

Altermagnetisme kan ook relevant zijn voor spintronica. Dit zou inhouden dat het magnetische moment van elektronen wordt gebruikt in plaats van hun lading in een dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen. Als gevolg hiervan zou de opslagcapaciteit aanzienlijk kunnen worden vergroot.

"Onze resultaten zouden de oplossing kunnen zijn voor een grote uitdaging op het gebied van spintronica", opperde Elmers. "Het benutten van het potentieel van altermagneten zou het gemakkelijker maken om opgeslagen informatie te lezen op basis van de spinpolarisatie in de elektronische banden."

Meer informatie: Olena Fedchenko et al, Observatie van het breken van de tijdomkeersymmetrie in de bandstructuur van altermagnetisch RuO 2, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4883

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Johannes Gutenberg Universiteit Mainz