Altermagnetism: Επιβεβαιώθηκε η τρίτη μορφή μαγνητισμού και μπορεί να μεταμορφώσει τον ψηφιακό κόσμο

Οι ερευνητές εξασφάλισαν τις πρώτες πειστικές αποδείξεις για μια ασύλληπτη τρίτη κατηγορία μαγνητισμού, που ονομάζεται «αλτερμαγνητισμός» (altermagnetism ή εναλλακτικός μαγνητισμός). Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στις 11 Δεκεμβρίου στο περιοδικό Nature, θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στο σχεδιασμό νέων συσκευών μαγνητικής μνήμης υψηλής ταχύτητας και να παρέχουν το κομμάτι του παζλ που λείπει για την ανάπτυξη καλύτερων υπεραγώγιμων υλικών.

Όπως αναφέρει ένας εκ των συγγραφέων της μελέτης, ο Oliver Amin, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ στο Ηνωμένο Βασίλειο,

Είχαμε προηγουμένως δύο καθιερωμένους τύπους μαγνητισμού. Τον σιδηρομαγνητισμό, όπου οι μαγνητικές ροπές δείχνουν όλες προς την ίδια κατεύθυνση. Και ο αντιφερρομαγνητισμός, όπου οι γειτονικές μαγνητικές ροπές δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις.

Τα σπιν των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να δείχνουν προς μία από τις δύο κατευθύνσεις και μπορούν να ευθυγραμμιστούν με ή αντίθετα από αυτές τις μαγνητικές ροπές για να αποθηκεύσουν ή να μεταφέρουν πληροφορίες, αποτελώντας τη βάση των συσκευών μαγνητικής μνήμης.

Τα αλτερμαγνητικά υλικά, που θεωρητικοποιήθηκαν για πρώτη φορά το 2022, έχουν μια δομή που βρίσκεται κάπου ενδιάμεσα. Κάθε μεμονωμένη μαγνητική ροπή δείχνει προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη γειτονική της, όπως σε ένα αντιφερρομαγνητικό υλικό. Αλλά κάθε μονάδα είναι ελαφρώς στριμμένη σε σχέση με αυτό το γειτονικό μαγνητικό άτομο, με αποτέλεσμα να έχει κάποιες ιδιότητες που μοιάζουν με σιδηρομαγνητικές. Επομένως, τα αλτερμαγνητικά υλικά συνδυάζουν τις καλύτερες ιδιότητες τόσο των σιδηρομαγνητικών όσο και των αντισιδηρομαγνητικών υλικών.

«Το πλεονέκτημα των σιδηρομαγνητών είναι ότι έχουμε έναν εύκολο τρόπο να διαβάζουμε και να γράφουμε μνήμη χρησιμοποιώντας αυτές τις άνω ή κάτω περιοχές», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Alfred Dal Din, διδακτορικός φοιτητής επίσης στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ. «Αλλά επειδή αυτά τα υλικά έχουν έναν καθαρό μαγνητισμό, οι πληροφορίες αυτές είναι επίσης εύκολο να χαθούν περνώντας από πάνω τους έναν μαγνήτη».

Αντίθετα, τα αντιφερρομαγνητικά υλικά είναι πολύ πιο δύσκολο να χειραγωγηθούν για την αποθήκευση πληροφοριών. Επειδή όμως έχουν καθαρό μηδενικό μαγνητισμό, οι πληροφορίες σε αυτά τα υλικά είναι πολύ πιο ασφαλείς και μεταφέρονται πολύ πιο γρήγορα. «Τα αλτερμαγνητικά υλικά έχουν την ταχύτητα και την ανθεκτικότητα ενός αντιφερρομαγνήτη, αλλά έχουν επίσης αυτή τη σημαντική ιδιότητα των σιδηρομαγνητών που ονομάζεται σπάσιμο της συμμετρίας αντιστροφής του χρόνου», δήλωσε ο Dal Din. «Για παράδειγμα, τα σωματίδια του αερίου πετούν τριγύρω, συγκρούονται τυχαία και γεμίζουν το χώρο. Αν γυρίσετε το χρόνο πίσω, αυτή η συμπεριφορά δεν φαίνεται διαφορετική».

Αυτό σημαίνει ότι η συμμετρία διατηρείται. Ωστόσο, επειδή τα ηλεκτρόνια διαθέτουν τόσο κβαντικό σπιν όσο και μαγνητική ροπή, η αντιστροφή του χρόνου - και, επομένως, της κατεύθυνσης του ταξιδιού - αντιστρέφει το σπιν, πράγμα που σημαίνει ότι η συμμετρία παραβιάζεται. «Αν κοιτάξετε αυτά τα δύο συστήματα ηλεκτρονίων - ένα όπου ο χρόνος εξελίσσεται κανονικά και ένα όπου βρίσκεστε σε αντίστροφη φορά - φαίνονται διαφορετικά, οπότε η συμμετρία σπάει. Αυτό επιτρέπει την ύπαρξη ορισμένων ηλεκτρικών φαινομένων».

Η ομάδα με επικεφαλής τον Peter Wadley, καθηγητή Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ, χρησιμοποίησε μια τεχνική που ονομάζεται ηλεκτρονική μικροσκοπία φωτοεκπομπής για να απεικονίσει τη δομή και τις μαγνητικές ιδιότητες του τελλουριούχου μαγγανίου, ενός υλικού που προηγουμένως θεωρούνταν αντιφερρομαγνητικό.

«Διαφορετικές πτυχές του μαγνητισμού φωτίζονται ανάλογα με την πόλωση των ακτίνων Χ που επιλέγουμε», δήλωσε ο Amin. Το κυκλικά πολωμένο φως αποκάλυψε τους διαφορετικούς μαγνητικούς τομείς που δημιουργήθηκαν από το σπάσιμο της συμμετρίας αντιστροφής του χρόνου, ενώ οι οριζόντια ή κάθετα πολωμένες ακτίνες-Χ επέτρεψαν στην ομάδα να μετρήσει την κατεύθυνση των μαγνητικών ροπών σε όλο το υλικό. Συνδυάζοντας τα αποτελέσματα και των δύο πειραμάτων, οι ερευνητές δημιούργησαν τον πρώτο χάρτη των διαφορετικών μαγνητικών περιοχών και δομών μέσα σε ένα αλτερμαγνητικό υλικό.

Με αυτή την απόδειξη της έννοιας σε ισχύ, η ομάδα κατασκεύασε μια σειρά από αλτερμαγνητικές συσκευές χειραγωγώντας τις εσωτερικές μαγνητικές δομές μέσω μιας ελεγχόμενης τεχνικής θερμικής ανακύκλωσης

«Καταφέραμε να σχηματίσουμε αυτές τις εξωτικές υφές δίνης τόσο σε εξαγωνικές όσο και σε τριγωνικές διατάξεις», δήλωσε ο Amin. «Αυτές οι δίνες κερδίζουν όλο και περισσότερη προσοχή στο πλαίσιο της σπιντρονικής ως πιθανοί φορείς πληροφοριών, οπότε αυτό ήταν ένα ωραίο πρώτο παράδειγμα για το πώς να δημιουργήσουμε μια πρακτική συσκευή».

Οι συγγραφείς της μελέτης δήλωσαν ότι η δυνατότητα τόσο της απεικόνισης όσο και του ελέγχου αυτής της νέας μορφής μαγνητισμού θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον σχεδιασμό των συσκευών μνήμης επόμενης γενιάς, με αυξημένες ταχύτητες λειτουργίας και βελτιωμένη ανθεκτικότητα και ευκολία χρήσης.

«Ο αλτερμαγνητισμός θα βοηθήσει επίσης στην ανάπτυξη της υπεραγωγιμότητας», δήλωσε ο Dal Din. «Για μεγάλο χρονικό διάστημα, υπήρχε ένα κενό στις συμμετρίες μεταξύ αυτών των δύο περιοχών, και αυτή η κατηγορία μαγνητικού υλικού που παρέμενε ασύλληπτη μέχρι τώρα αποδεικνύεται ότι είναι αυτός ο χαμένος κρίκος στο παζλ».

[via]