In een nieuwe studie hebben wetenschappers de nieuw ontdekte klasse van altermagnetische materialen onderzocht op hun thermische eigenschappen, wat inzicht biedt in de onderscheidende aard van altermagneten voor spin-caloritronische toepassingen.

Magnetisme is een oud en goed onderzocht onderwerp dat zich leent voor vele toepassingen, zoals motoren en transformatoren. Er worden echter nieuwe magnetische materialen en verschijnselen bestudeerd en ontdekt, waaronder altermagneten.

Altermagneten vertonen een unieke mix van magnetische eigenschappen, waardoor ze zich onderscheiden van conventionele magnetische materialen zoals ferromagneten en antiferromagneten. Deze materialen vertonen eigenschappen die worden waargenomen in zowel ferromagneten als antiferromagneten, wat hun onderzoek aantrekkelijk maakt.

Het huidige onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters , onderzoekt de thermische eigenschappen van altermagneten en werd geleid door prof. Wanxiang Feng en prof. Yugui Yao van het Beijing Institute of Technology.

Sprekend over hun motivatie achter het onderzoeken van altermagneten, vertelde prof. Feng aan Phys.org:"Magnetisme is een oud en fascinerend onderwerp in de vaste-stoffysica. Tijdens het onderzoeken van niet-collineaire magneten in de afgelopen decennia kwamen we een nieuw type collineaire magneet tegen, de altermagneet."

Prof. Yao voegde hieraan toe:"Met een dubbele aard die lijkt op zowel ferromagneten als antiferromagneten, intrigeerden altermagneten ons met het potentieel voor nieuwe fysieke effecten. Onze motivatie kwam voort uit de wens om de unieke eigenschappen van deze magnetische materialen te begrijpen en te ontsluiten."

De opkomst van magnetisme

Magnetische eigenschappen komen voort uit het gedrag van atomen, met name de rangschikking en beweging van elektronen in een materiaal.

"In magnetische materialen rangschikken de magnetische spin-momenten, als gevolg van de uitwisselingsinteractie tussen atomen, parallel of antiparallel, waardoor ze respectievelijk de meest voorkomende ferromagneten en antiferromagneten vormen, die al meer dan een eeuw worden bestudeerd", legt prof. Feng uit.

Altermagneten tarten conventionele normen door een tweeledig karakter te belichamen:ze lijken op antiferromagneten met nul netto magnetisatie en ferromagneten met niet-relativistische spin-splitsing.

Bij altermagneten wordt collineaire antiparallelle magnetische orde gecombineerd met niet-relativistische spinsplitsing, wat resulteert in een netto magnetisatie van nul, vergelijkbaar met antiferromagneten en ferromagnetische spindynamiek tegelijkertijd.

Dit unieke gedrag komt voort uit het ingewikkelde samenspel van atomen binnen de kristalstructuur. Rutheniumdioxide, het onderwerp van dit onderzoek, toont bijvoorbeeld spin-degeneratie veroorzaakt door niet-magnetische zuurstofatomen, waardoor ruimtelijke en tijdsymmetrieën worden verbroken. Dit leidt tot de unieke magnetische eigenschappen van het materiaal.

Bovendien vertonen altermagneten een unieke spinpolarisatie. De term 'spinpolarisatie' betekent dat een overwicht aan elektronenspins de neiging heeft zich in een bepaalde richting uit te lijnen.

De spinpolarisatie is opmerkelijk bij altermagneten omdat deze voorkomt in de fysieke rangschikking van atomen (echte ruimte) en in de momentumruimte, waar rekening wordt gehouden met de verdeling van elektronenspins in het materiaal.

Nernst- en Hall-effecten

De onderzoekers concentreerden zich op het bestuderen van de opkomst van kristal Nernst en kristal thermische Hall-effecten in rubidiumdioxide (RuO₂ ), gekozen als representatief voorbeeld van altermagnetisme.

Het kristal Nernst-effect (CNE) waargenomen in altermagneten is een resultaat van hun kenmerkende magnetische aard. Simpel gezegd:als het materiaal een temperatuurverschil over zijn afmetingen ervaart, leidt dit tot het ontstaan ​​van een spanning loodrecht op zowel de temperatuurgradiënt als het magnetische veld. Dit fenomeen laat zien dat de magnetische eigenschappen van het materiaal de reactie op temperatuurveranderingen beïnvloeden, waardoor inzicht wordt verkregen in het ingewikkelde verband tussen thermisch en magnetisch gedrag bij altermagneten.

Bij altermagneten wordt dit effect aanzienlijk beïnvloed door de richting van de Néel-vector, die de richting vertegenwoordigt waarin aangrenzende magnetische momenten uitgelijnd zijn. Dit voegt een extra laag complexiteit toe aan de thermische respons.

Op dezelfde manier werpt het Crystal Thermal Hall-effect (CHE) licht op hoe warmte in altermagneten beweegt. Net als het traditionele thermische Hall-effect vindt het loodrecht op de temperatuurgradiënt en het magnetische veld plaats. Bij altermagneten vertoont de CTH aanzienlijke variatie, afhankelijk van de Néel-vectorrichting. Deze anisotropie is een centrale factor bij het begrijpen van het thermische transportgedrag dat uniek is voor altermagnetische materialen.

Thermische eigenschappen van RuO₂

De onderzoeksmethodologie maakte gebruik van een dubbele strategie, waarbij symmetrieanalyse en baanbrekende berekeningen op basis van de eerste beginselen werden gecombineerd, om de thermische transporteigenschappen van RuO₂ te ontrafelen. . Symmetrieanalyse speelde een cruciale rol bij het ontrafelen van de fundamentele redenen achter de opkomst van altermagnetisme.

Door middel van twee symmetrieoperaties, waaronder ruimtelijke inversie, tijdomkering en roostertranslatie, toonde het onderzoek het ingewikkelde samenspel van atomen binnen de kristalstructuur, en demonstreerde hoe niet-magnetische zuurstofatomen niet-relativistische spinsplitsing in energiebanden veroorzaakten.

Dit proces resulteerde in het verbreken van de kristallijne tijd-omkeersymmetrie, waardoor duidelijke thermische transporteigenschappen van kristallen ontstonden.

"Door middel van gedetailleerde analyse hebben we drie fysieke mechanismen geïdentificeerd die bijdragen aan het thermische transport van kristallen:Weyl-pseudo-knooppuntenlijnen, altermagnetische pseudo-knoopvlakken en altermagnetische ladderovergangen", aldus prof. Yao.

In eenvoudige bewoordingen zijn de Weyl-pseudo-knooplijnen routes die warmte binnen het materiaal geleiden, kunnen altermagnetische pseudo-knoopvlakken afbeeldingen zijn als aangewezen zones die de warmtestroom beïnvloeden, en kunnen altermagnetische ladderovergangen worden gezien als de manier waarop het materiaal een hittegolf beklimt. ladder.

Deze bevindingen zijn opwindend omdat ze een belangrijke rol spelen in de manier waarop warmte zich binnen altermagneten verplaatst.

De onderzoekers ontdekten een uitgebreide wet van Wiedemann-Franz in RuO₂ , waarbij de ongebruikelijke thermische en elektrische transporteigenschappen van het materiaal met elkaar worden verbonden. In tegenstelling tot de conventionele verwachtingen werkt deze uitgebreide wet over een breder temperatuurbereik, dat zich uitstrekt tot voorbij 150 Kelvin.

Spincaloritronica

De onderzoekers zijn van mening dat altermagneten een cruciale rol kunnen spelen in de spincaloritronica, een onderzoeksgebied dat de wisselwerking tussen spin en warmtestroom onderzoekt, wat niet haalbaar is met ferromagneten of antiferromagneten. Dit veld heeft potentiële toepassingen bij de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor informatieverwerking en -opslag.

"Altermagnetische materialen met collineaire antiparallelle magnetische orde vertonen een snellere spindynamiek en een lagere gevoeligheid voor magnetische strooivelden in vergelijking met ferromagnetische materialen. Dit maakt ze veelbelovend voor het bereiken van een hogere opslagdichtheid en snellere spin-caloritronische apparaten", legt prof. Feng uit.

De onderzoekers zijn ook van plan om in de toekomst kristalthermisch transport van hogere orde en magneto-optische effecten te onderzoeken.

Hierover gesproken zei prof. Yao:"We zijn nieuwsgierig naar de verschillen in thermisch transport van kristallen van hogere orde en magneto-optische effecten van hoge orde in altermagneten in vergelijking met antiferromagneten of ferromagneten. We bevinden ons in de vroege stadia van deze technologie, en er is een lange reis voor de boeg voordat het praktisch haalbaar wordt."

Meer informatie: Xiaodong Zhou et al, Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.056701. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.01410

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

© 2024 Science X Netwerk