Otkriven novi tip magnetizma

Zahvaljujući eksperimentima na švicarskom Institutu Paul Scherrer, istraživači su dokazali postojanje altermagnetizma. Eksperimentalno otkriće nove vrste magnetizma objavljeno je u časopisu Nature i označava novu temeljnu fiziku, s velikim implikacijama za spintroniku.

Nova vrsta magnetizma, nazvana 'altermagnetizam', poput antiferomagneta ne pokazuje neto makroskopsku magnetizaciju, no mikroskopska svojstva su bliža feromagnetima. S otkrićem antiferomagneta prije gotovo jednog stoljeća, obitelj magnetskih materijala podijeljena je u dvije temeljne faze: feromagnetsku granu poznatu nekoliko tisućljeća i antiferomagnetsku granu. Eksperimentalni dokaz treće grane magnetizma, nazvan altermagnetizam, napravljen je u švicarskom Light Source SLS-u, međunarodnom suradnjom predvođenom Češkom akademijom znanosti zajedno s Institutom Paul Scherrer PSI.

Altermagneti imaju posebnu kombinaciju rasporeda spinova i kristalnih simetrija. Spinovi se izmjenjuju, kao u antiferomagnetima, što rezultira izostankom neto magnetizacije. Ipak, umjesto da se jednostavno ponište, simetrije daju elektroničku vrpčastu strukturu s jakom spinskom polarizacijom koja se okreće u smjeru dok prolazite kroz energetske vrpce materijala, pa otuda naziv altermagneti. To rezultira vrlo korisnim svojstvima koja više nalikuju feromagnetima, kao i nekim potpuno novim svojstvima, korisna za područje razvoja tehnologije magnetske memorije sljedeće generacije, poznato kao spintronika. Dok elektronika koristi samo naboj elektrona, spintronika također iskorištava spinsko stanje elektrona za prijenos informacija.

U novije vrijeme, antiferomagneti su istraživani za spintroniku, jer imaju koristi od toga što nemaju neto magnetizaciju koja je rezultat uzvrata materijala na vanjsko magnetno polje. 

Altermagneti donose nultu neto magnetizaciju zajedno s jakim fenomenom ovisnim o spinu koji se tipično nalazi u feromagnetima, prednosti koje su smatrane načelno nekompatibilnim.

Godine 2022. teoretičari su objavili svoja predviđanja o postojanju altermagnetizma. Otkrili su više od dvjesto altermagnetskih kandidata u materijalima od izolatora i poluvodiča do metala i supravodiča. Mnogi od ovih materijala bili su dobro poznati i opsežno istraženi u prošlosti, a da se nije primijetila njihova altermagnetska priroda. Zbog golemih mogućnosti istraživanja i primjene koje altermagnetizam predstavlja, ova su predviđanja izazvala veliko uzbuđenje unutar zajednice.

Dobivanje izravnog eksperimentalnog dokaza o postojanju altermagnetizma zahtijevalo je demonstraciju jedinstvenih karakteristika spinske simetrije predviđenih u altermagnetima. Dokaz je došao korištenjem fotoemisione spektroskopije s razlučivošću spina i kuta na SIS (krajnja stanica COPHEE) i ADRESS linijama snopa SLS-a.

Ova je tehnika omogućila timu da vizualizira kontrolnu značajku u elektroničkoj strukturi navodnog altermagneta, cijepanje elektroničkih vrpci koje odgovaraju različitim stanjima spina, poznato kao uklanjanje Kramersove spinske degeneracije. 

Otkriće je napravljeno u kristalima manganovog telurida, dobro poznatog jednostavnog materijala od dva elementa. Tradicionalno, materijal se smatra klasičnim antiferomagnetom jer su magnetski momenti na susjednim atomima mangana usmjereni u suprotnim smjerovima, generirajući neto neto magnetizaciju.

Međutim, antiferomagneti ne bi trebali pokazivati ​​povećanu degeneraciju Kramersovog spina prema magnetskom redu, dok bi feromagneti ili altermagneti trebali. Kad su znanstvenici vidjeli uklanjanje degeneracije Kramersovog spina, popraćeno nestajanjem neto magnetizacije, znali su da gledaju u altermagnet.

Altermagneti imaju posebnu kombinaciju rasporeda spinova i kristalnih simetrija.  U oba altermagneta i antiferomagneta, spinovi se izmjenjuju, dajući neto neto magnetizaciju.  Međutim, u altermagnetima spinovi su povezani rotacijskom simetrijom, dok su u antiferomagnetima povezani translatornom ili inverznom simetrijom.  U feromagnetima spinovi su poravnati dajući neto makroskopsku magnetizaciju.

"Zahvaljujući visokoj preciznosti i osjetljivosti naših mjerenja, mogli smo detektirati karakteristično naizmjenično cijepanje energetskih razina koje odgovaraju suprotnim spinskim stanjima i tako pokazati da manganov telurid nije ni konvencionalni antiferomagnet ni konvencionalni feromagnet, već pripada novoj altermagnetskoj grani magnetskih materijala,” kaže Juraj Krempasky, znanstvenik Beamline Optics Grupe u PSI-u i prvi autor studije.

Istraživači vjeruju da će ovo novo temeljno otkriće magnetizma obogatiti naše razumijevanje fizike kondenzirane tvari, s utjecajem na različita područja istraživanja i tehnologije. Kao i njegove prednosti za područje spintronike u razvoju, također nudi platformu koja obećava za istraživanje nekonvencionalne supravodljivosti, kroz nove uvide u supravodljiva stanja koja se mogu pojaviti u različitim magnetskim materijalima.