Ibland behöver en bra teori bara rätt material för att få det att fungera. Så är fallet med de senaste fynden från UT:s fysiker och deras kollegor, som konstruerade ett tvådimensionellt magnetiskt system som pekar på möjligheten till enheter med ökad säkerhet och effektivitet, använder bara en liten mängd energi. Genom att utnyttja en dold symmetri i materialet, deras resultat stöder en teori som först föreslogs för 20 år sedan.

Behåll kontrollen utan att tappa flexibilitet

Människor har känt till magnetism sedan antiken men lär sig fortfarande hur det fungerar, särskilt i kvantskalan. I ferromagneter, atomer och deras grannar har magnetiska moment (orsakade av snurr) som alla är inriktade i samma riktning. Vi kan enkelt styra den riktningen med ett externt magnetfält. I antiferromagneter, dock, de magnetiska stunderna är i linje med sina grannar och alternerar en efter en. Denna mikroskopiska centrifugeringsjustering skyddar perfekt alla yttre magnetfält och är dold från omvärlden. Antiferromagneter upptäcktes av Louis Néel 1948, men beskrevs i hans Nobelföreläsning 1970 som teoretiskt intressant men tekniskt värdelöst.

Jian Liu, biträdande professor i fysik, förklarade att i allmänhet snurrar i en antiferromagnet kan rotera hur de vill så länge anti-inriktningen bibehålls. Men, om interaktionen mellan atomerna är anistropisk, "det kommer att ge snurren en viss preferensriktning." Detta är DM-interaktionen (Dzyaloshinskii-Moriya) som härrör från relativistisk effekt, och Liu förklarade att det gör två saker. Först, det lutar (eller kan) snurrarna något bort från den perfekta anti-inriktningen, vilket är bra eftersom det betyder att ett externt magnetfält inte kommer att vara helt skärmad och kan kopplas till de snedställda snurrningarna, även om de är förskjutna. Det finns en avvägning, dock, i att medan denna interaktion möjliggör canting, det stiftar riktningen.

"Så du får lite kontroll, "Liu sa, "men du förlorar också lite flexibilitet. Och det jämnar ut sig."

För att komma runt detta problem, han och ett team med andra forskare utnyttjade en dold spinnsymmetri:SU (2).

"SU (2) är faktiskt en terminologi som teoretiker och matematiker använder i gruppteori, "Liu sa." Det betyder att spin är isotrop - det kan peka åt vilket håll du vill. "

Ändå hur, exakt, är denna symmetri dold?

Liu sa att det gömmer sig om man bara tittar på saker från lokal skala.

"Till exempel, om du sitter på ett snurr, och du ser dig omkring, du ser en mycket anisotrop miljö, "förklarade han." I grunden de andra snurrarna - dina grannar - säger till dig att du måste inte (på ett visst sätt) för att vara kompatibel med dem. Om du tittar på en mycket global skala - om du överväger alla snurr - visar det sig att hela systemet är perfekt isotropiskt och bevarar denna rotationssymmetri.

"Du kan tänka på det här sättet, " han fortsatte, "för hundratals år sedan, människor trodde att jorden var platt. Det beror på att vi satt i en mycket lokal skala. Vi trodde att om vi fortsätter att gå längs en riktning skulle vi aldrig komma tillbaka till samma punkt. Men det visar sig att jorden är en sfär, så om du fortsätter att gå norrut någon gång passerar du polen och sedan kommer du tillbaka. Så om du tittar på jorden i global skala, du ser att den har rotationssymmetri, som du inte skulle märka om du är bunden till ytan. "

Lägger till tillräckligt med utrymme

Rollen för denna globala symmetri i antiferromagnetiska system förutspåddes faktiskt för två decennier sedan. Liu sa att medan teorin var fascinerande, materialet som används för att testa det var inte lämpligt för uppgiften.

För sina studier, han och hans kollegor odlade prover gjorda av strontium, iridium, och syre (SrIrO3), liksom strontium, titan, och syre (SrTiO3) och, med pulserande laseravsättning, odlade dem på ett baslager av SrTiO3 bara en enda kristall tjock. De fokuserade på tre punkter:materialets kemi, bevarande av symmetrin, och ett avgörande ytterligare lager. Iridium visade sig vara ett viktigt val eftersom det gav stark DM -interaktion. Strukturen möjliggör dold symmetri, till stor del för att laget separerade lagren med en "distans" av SrTiO3 så att varje lager skulle ha sina egna tvådimensionella egenskaper.

Inspirationen för denna forskning kom förra året efter att Liu och andra forskare publicerade resultat om kontroll av ultrafina material i Fysiska granskningsbrev . Han förklarade att när de hittade ett sätt att separera skikten för att utforska inneboende tvådimensionella egenskaper, de insåg att de hade ett material som kunde testa symmetri teorin.

Säkrare system; Snabbare växling

Bortsett från vetenskaplig upptäckt, dessa senaste forskningsresultat presenterar också potentialen att kontrollera antiferromagnetism för säkrare och effektivare enheter.

Som Liu förklarade, de flesta nuvarande magnetiska enheter är baserade på ferromagnetiska material.

"Dock, vi kommer till gränsen för ferromagnets prestanda, "sa han." Vi måste hitta ett annat sätt att övervinna den tekniska barriären. Antiferromagnetism ger ett annat alternativ. Till exempel, antiferromagnetiska material har denna anti-inriktade snurr. Så om du tittar på en antiferromagnet, det finns inget magnetfält runt det. Det verkar faktiskt inte som något annat än ett material som inte är magnetiskt, för de kompenserar varandra fullt ut. "

Vad det betyder, han fortsatte, är att vi inte vill att bitarna i datorns hårddisk kommer för nära varandra eftersom varje bit är en ferromagnet. Detta begränsar tätheten av informationslagringen.

"Om bitarna nu är antiferromagnetiska, de kommer att vara magnetiskt osynliga för varandra, och du kan packa dem precis bredvid varandra, "sa han." Lagerkapaciteten kommer i huvudsak att öka dramatiskt. "

En annan möjlig fördel är effektivare koppling av enheter.

Liu sa att det är en långsam och energikostig process att byta snurr upp och ner i ferromagnetik eftersom vi måste vända dess magnetfält i en makroskopisk skala. Med de anti-inriktade snurrarna i antiferromagneter under den dolda symmetrin, han sa, "det visar inget magnetfält, och vi behöver bara applicera lite energi för att slå på och av eller rotera den. Mängden energi som vi lägger in i systemet är mycket liten jämfört med den självinriktande energin, men snurren svarar fortfarande omedelbart, och det gör byteprocessen mycket snabbare. "

Betydelsen av samarbete och investeringar

De första resultaten var mycket uppmuntrande, men experimentteamet ville ha ytterligare kontroll.

"I början kunde vi inte tro vad vi såg eftersom effekterna var riktigt starka och mängden energi du lägger in i systemet är en tusendel av (dess) interna energi, "förklarade han." Det låter nästan för bra för att vara sant. "

För validering, de tog sina frågor till UT Physics Professor (och Lincoln Chair) Cristian Batista, en teoretiker i kondenserad fysik.

"Han guidade oss genom alla detaljer i teorin och han kom med förklaringen:inte bara kvalitativt utan faktiskt kvantitativt, "Liu sa." Han gjorde simuleringen och fann att allt perfekt faller in i kraven för den teorin om dold symmetri. "

Resultaten publicerades i Naturfysik .