Er is nu een nieuwe toevoeging aan de magnetische familie:dankzij experimenten bij de Zwitserse lichtbron SLS hebben onderzoekers het bestaan ​​van altermagnetisme bewezen. De experimentele ontdekking van deze nieuwe tak van magnetisme wordt gerapporteerd in Nature en betekent nieuwe fundamentele natuurkunde, met grote implicaties voor de spintronica.

Magnetisme is veel meer dan alleen dingen die aan de koelkast blijven plakken. Dit inzicht kwam met de ontdekking van antiferromagneten bijna een eeuw geleden. Sindsdien is de familie van magnetische materialen verdeeld in twee fundamentele fasen:de ferromagnetische tak die al duizenden jaren bekend is, en de antiferromagnetische tak.

Het experimentele bewijs van een derde tak van magnetisme, genaamd altermagnetisme, werd gemaakt bij de Zwitserse lichtbron SLS, door een internationale samenwerking onder leiding van de Tsjechische Academie van Wetenschappen samen met het Paul Scherrer Instituut PSI.

De fundamentele magnetische fasen worden gedefinieerd door de specifieke spontane rangschikkingen van magnetische momenten (of elektronenspins) en van atomen die de momenten in kristallen dragen.

Ferromagneten zijn het type magneten dat aan de koelkast blijft plakken:hier wijzen de spins in dezelfde richting, wat macroscopisch magnetisme oplevert. In antiferromagnetische materialen wijzen de spins in afwisselende richtingen, met als gevolg dat de materialen geen macroscopische nettomagnetisatie bezitten en dus niet aan de koelkast blijven kleven. Hoewel andere soorten magnetisme, zoals diamagnetisme en paramagnetisme, zijn gecategoriseerd, beschrijven deze specifieke reacties op extern aangelegde magnetische velden in plaats van spontane magnetische ordeningen in materialen.

Altermagneten hebben een bijzondere combinatie van de opstelling van spins en kristalsymmetrieën. De spins wisselen elkaar af, zoals bij antiferromagneten, wat resulteert in geen netto magnetisatie. Maar in plaats van simpelweg op te heffen, geven de symmetrieën een elektronische bandstructuur met sterke spinpolarisatie die in de richting draait als je door de energiebanden van het materiaal gaat – vandaar de naam altermagnets. Dit resulteert in zeer bruikbare eigenschappen die meer op ferromagneten lijken, evenals enkele compleet nieuwe eigenschappen.

Een nieuw en nuttig broertje

Deze derde magnetische broer of zus biedt duidelijke voordelen voor het zich ontwikkelende veld van de volgende generatie magnetische geheugentechnologie, bekend als spintronica. Terwijl elektronica alleen gebruik maakt van de lading van de elektronen, maakt spintronica ook gebruik van de spin-toestand van elektronen om informatie te transporteren.

Hoewel spintronica al een aantal jaren belooft een revolutie teweeg te brengen in de IT, staat het nog in de kinderschoenen. Meestal worden voor dergelijke apparaten ferromagneten gebruikt, omdat deze bepaalde zeer wenselijke sterke spin-afhankelijke fysieke verschijnselen bieden. Toch stelt de macroscopische nettomagnetisatie die in zoveel andere toepassingen nuttig is, praktische beperkingen aan de schaalbaarheid van deze apparaten, omdat het overspraak veroorzaakt tussen bits – de informatiedragende elementen in de gegevensopslag.

Meer recentelijk zijn antiferromagneten onderzocht voor spintronica, omdat ze profiteren van het ontbreken van netto magnetisatie en dus ultraschaalbaarheid en energie-efficiëntie bieden. De sterke spin-afhankelijke effecten die zo nuttig zijn in ferromagneten ontbreken echter, wat hun praktische toepasbaarheid opnieuw belemmert.

Hier komen altermagneten aan bod met het beste van beide:nul netto magnetisatie samen met de felbegeerde sterke spin-afhankelijke verschijnselen die typisch voorkomen in ferromagneten – voordelen die als principieel onverenigbaar werden beschouwd.

‘Dat is de magie van altermagneten’, zegt Tomáš Jungwirth van het Instituut voor Natuurkunde van de Tsjechische Academie van Wetenschappen, hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Iets waarvan mensen geloofden dat het onmogelijk was totdat recente theoretische voorspellingen [aantoonden], is feitelijk mogelijk."

De zoekopdracht is gestart

Het gemompel dat een nieuw type magnetisme op de loer lag, begon niet zo lang geleden:in 2019 identificeerde Jungwirth samen met theoretische collega's van de Tsjechische Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Mainz een klasse magnetische materialen met een spinstructuur die niet binnen de klassieke beschrijvingen paste. van ferromagnetisme of antiferromagnetisme.

In 2022 publiceerden de theoretici hun voorspellingen over het bestaan ​​van altermagnetisme. Ze ontdekten meer dan tweehonderd altermagnetische kandidaten in materialen variërend van isolatoren en halfgeleiders tot metalen en supergeleiders. Veel van deze materialen zijn in het verleden algemeen bekend en uitgebreid onderzocht, zonder hun altermagnetische aard op te merken. Vanwege de enorme onderzoeks- en toepassingsmogelijkheden die altermagnetisme met zich meebrengt, veroorzaakten deze voorspellingen grote opwinding binnen de gemeenschap. Er werd gezocht.

Röntgenfoto's leveren het bewijs

Om direct experimenteel bewijs te verkrijgen van het bestaan ​​van altermagnetisme was het aantonen van de unieke spinsymmetrie-eigenschappen voorspeld in altermagneten nodig. Het bewijs kwam met behulp van spin- en hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie bij de SIS (COPHEE-eindstation) en ADRESS-bundellijnen van de SLS. Deze techniek stelde het team in staat een veelbetekenend kenmerk in de elektronische structuur van een vermoedelijke altermagneet te visualiseren:het splitsen van elektronische banden die overeenkomen met verschillende spintoestanden, bekend als het opheffen van Kramers spin-degeneratie.

De ontdekking werd gedaan in kristallen van mangaantelluride, een bekend eenvoudig materiaal met twee elementen. Traditioneel werd het materiaal beschouwd als een klassieke antiferromagneet omdat de magnetische momenten op naburige mangaanatomen in tegengestelde richtingen wijzen, waardoor een verdwijnende netto magnetisatie ontstaat.

Antiferromagneten mogen echter geen verhoogde Kramers-spindegeneratie vertonen door de magnetische orde, terwijl ferromagneten of altermagneten dat wel zouden moeten doen. Toen de wetenschappers het opheffen van de spin-degeneratie van Kramers zagen, vergezeld van de verdwijnende netto-magnetisatie, wisten ze dat ze naar een altermagneet keken.

"Dankzij de hoge precisie en gevoeligheid van onze metingen konden we de karakteristieke afwisselende splitsing van de energieniveaus detecteren die overeenkomen met tegengestelde spintoestanden en zo aantonen dat mangaantelluride noch een conventionele antiferromagneet, noch een conventionele ferromagneet is, maar tot de nieuwe altermagnetische tak behoort. van magnetische materialen", zegt Juraj Krempasky, bundellijnwetenschapper bij de Beamline Optics Group bij PSI en eerste auteur van het onderzoek.

De bundellijnen die deze ontdekking mogelijk hebben gemaakt, zijn nu gedemonteerd, in afwachting van de SLS 2.0-upgrade. Na twintig jaar succesvol wetenschappelijk onderzoek zal het COPHEE-eindstation volledig worden geïntegreerd in de nieuwe "QUEST"-bundellijn. "Het was met de laatste fotonen van licht bij COPHEE dat we deze experimenten hebben uitgevoerd. Dat ze zo'n belangrijke wetenschappelijke doorbraak hebben opgeleverd, is erg emotioneel voor ons", voegt Krempasky toe.

"Nu we het aan het licht hebben gebracht, zullen veel mensen over de hele wereld eraan kunnen werken."

De onderzoekers zijn van mening dat deze nieuwe fundamentele ontdekking op het gebied van magnetisme ons begrip van de fysica van de gecondenseerde materie zal verrijken, met impact op diverse onderzoeks- en technologiegebieden. Naast de voordelen voor het zich ontwikkelende vakgebied van de spintronica, biedt het ook een veelbelovend platform voor het onderzoeken van onconventionele supergeleiding, door middel van nieuwe inzichten in supergeleidende toestanden die kunnen ontstaan ​​in verschillende magnetische materialen.

"Altermagnetisme is eigenlijk niet iets enorm ingewikkelds. Het is iets heel fundamenteels dat decennialang voor onze ogen lag zonder het te merken", zegt Jungwirth. "En het is niet iets dat alleen in een paar obscure materialen bestaat. Het bestaat in veel kristallen die mensen gewoon in hun lades hadden liggen. In die zin zullen veel mensen over de hele wereld, nu we het aan het licht hebben gebracht, in staat zijn om werk eraan en zorg voor een brede impact."

Meer informatie: Juraj Krempaský, Altermagnetisch opheffen van Kramers spin-degeneratie, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06907-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door het Paul Scherrer Instituut