Natuurkundigen van de Universiteit van Augsburg zijn er door middel van elektrische metingen bij lage temperaturen in geslaagd chirale ordes met vergelijkbare magnetisatie maar een tegengestelde rotatiezin te onderscheiden. Dit is relevant voor fundamenteel onderzoek naar complexe magneten en mogelijke toepassingen voor magnetische dataopslag. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics .

Elektrische stromen en magnetische krachten zijn rechtstreeks met elkaar verbonden:stroomvoerende kabels creëren een cirkelvormig magnetisch veld en omgekeerd buigt een magnetisch veld elektrisch geladen deeltjes loodrecht op de stroom en de veldrichting af. Dit laatste fenomeen wordt het "Hall-effect" genoemd, ter ere van de uitvinder Edwin Hall.

Het Hall-effect wordt gebruikt om de elektrische en magnetische eigenschappen van metalen te onderzoeken. Met het ‘normale Hall-effect’ kunnen we de concentratie van laderdragers en hun mobiliteit bepalen, terwijl er bij magneten een extra bijdrage ontstaat die het ‘afwijkende Hall-effect’ wordt genoemd.

Aan het Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van Augsburg is nu ontdekt dat het abnormale Hall-effect een verborgen symmetrie aan het licht zou kunnen brengen. "Ondanks een gelijke magnetisatie vertonen twee toestanden duidelijk verschillende afwijkende Hall-signalen, een verrassende en opvallende observatie", legt Philipp Gegenwart, hoogleraar experimentele natuurkunde, uit.

Rechts- en linkscirculerend magnetisch patroon

De onderzoeken zijn gedaan met het magnetische metaal HoAgGe, dat bijzondere magnetische eigenschappen heeft die vier jaar geleden werden ontdekt door het team van prof. Gegenwart. Het materiaal heeft een driehoekige configuratie van atomaire elektronenspins van Holmium-atomen.

Omdat het onmogelijk is om tegelijkertijd alle paarsgewijze interacties op elke driehoek uit te voeren, ontstaat er een magnetisch gefrustreerde toestand. Het beschikt over verschillende energetisch gedegenereerde configuraties per driehoek en wordt Kagome-spinijs genoemd. De spins bevinden zich aan de randen van in de hoeken gedeelde driehoeken die lijken op gevlochten Japanse "Kagome" -manden. Soortgelijke regels die van toepassing zijn op waterijs bepalen de mogelijke configuraties van de magnetische momenten.

In tegenstelling tot gewone magneten zijn de magnetische momenten in Kagome-spinijs niet in één richting uitgelijnd, maar volgen ze eerder een complex chiraal patroon, dat wil zeggen met een verschillende rotatiezin. Ze worden gecreëerd in een aangelegd magnetisch veld bij lage temperaturen en beschikken over gefractioneerde magnetisatieplateaus met waarden van 1/3 en 2/3. De afbeelding hierboven toont twee van deze patronen met vergelijkbare energie en elk 1/3 van de verzadigingsmagnetisatie.

Mogelijke toepassing voor gegevensopslag

De studie van de onderzoeksgroep van de Universiteit van Augsburg onderzocht en analyseerde systematisch het afwijkende Hall-effect bij lage temperaturen. Verrassend genoeg werden verschillende waarden van het afwijkende Hall-effect gevonden voor de twee patronen van 1/3 magnetisatie, zichtbaar als rode en zwarte curven in de grafiek in de bovenstaande afbeelding.

Modellering van de gegevens onthulde een onderliggende unieke verborgen symmetrie:de combinatie van een rotatie van 180° en een omkering van de vervorming is vereist om het ene patroon in het andere te transformeren. Geleidingselektronen die door de twee verschillende patronen worden verstrooid, resulteren in verschillende krommingen van de fase van hun golffuncties, en dit leidt tot een verschil in het afwijkende Hall-effect, ondanks een vergelijkbare energie en magnetisatie van de twee verschillende patronen.

Meer in het algemeen duidt deze waarneming op een nieuw potentieel voor metingen van het afwijkende Hall-effect in magnetisch gefrustreerde metalen, en voor het blootleggen van verborgen symmetrie en toestanden door middel van elektrische metingen. "Dit kan ook interessant zijn met betrekking tot permanente magnetische gegevensopslag op de kleinste atomaire schaal", zegt Gegenwart. Dit vereist echter de lokale adressering en het selectief schakelen van de draairichting van dit patroon.

Meer informatie: K. Zhao et al, Discrete degeneraties die zich onderscheiden door het afwijkende Hall-effect in een metalen kagome-ijsverbinding, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02307-w

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Universiteit van Augsburg