Ett team av forskare från Münchens tekniska universitet, Walther-Meissner-institutet vid den bayerska akademin för vetenskaper och humaniora, och Norges tekniska universitet i Trondheim har upptäckt en spännande metod för att kontrollera spinn som bärs av kvantiserade spinnvågsexcitationer i antiferromagnetiska isolatorer.

Elementarpartiklar bär en inneboende rörelsemängd som kallas deras spinn. För en elektron, spinnet kan bara ta två specifika värden i förhållande till en kvantiseringsaxel, låter oss beteckna dem som spin-up och spin-down elektroner. Denna inneboende tvåvärdighet av elektronspinnet är kärnan i många fascinerande effekter inom fysiken.

I dagens informationsteknik, en elektrons spinn och det tillhörande magnetiska momentumet utnyttjas i tillämpningar av informationslagring och utläsning av magnetiska medier, som hårddiskar och magnetband.

Antiferromagneter:framtida stjärnor i magnetisk datalagring?

Både, lagringsmediet och avläsningssensorerna använder ferromagnetiskt ordnade material, där alla magnetiska moment är parallella. Dock, stunderna kan orientera sig på ett mer komplext sätt. I antiferromagneter, antagonisten till en ferromagnet, närliggande ögonblick överensstämmer på ett antiparallellt sätt. Även om dessa system ser "icke-magnetiska" ut utifrån, de har väckt stor uppmärksamhet då de lovar robusthet mot yttre magnetfält och snabbare kontroll. Således, de anses vara de nya barnen på blocket för tillämpningar inom magnetisk lagring och okonventionell datoranvändning.

En viktig fråga i detta sammanhang är, om och hur information kan transporteras och detekteras i antiferromagneter. Forskare vid Münchens tekniska universitet, Walther-Meissner-instituttet och Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet i Trondheim studerade den antiferromagnetiska isolatorn hematit i detta avseende.

I detta system, laddningsbärare saknas och därför är det en särskilt intressant testbädd för utredning av nya tillämpningar, där man syftar till att undvika förlust av ett ändligt elektriskt motstånd. Forskarna upptäckte en ny effekt unik för transport av antiferromagnetiska excitationer, vilket öppnar nya möjligheter för informationsbehandling med antiferromagneter.

Släpp lös pseudospinnet i antiferromagneter

Dr Matthias Althammer, den ledande forskaren i projektet beskriver effekten enligt följande:"I den antiferromagnetiska fasen, angränsande snurr är inriktade på ett antiparallellt sätt. Dock, det finns kvantiserade excitationer som kallas magnoner. De har information kodad i deras spin och kan spridas i systemet. På grund av de två antiparallellkopplade spinnarterna i antiferromagneten är excitationen av komplex natur, dock, dess egenskaper kan gjutas i ett effektivt snurr, ett pseudospin. Vi skulle experimentellt kunna visa att vi kan manipulera detta pseudospin, och dess utbredning med ett magnetfält."

Dr. Akashdeep Kamra, den ledande teoretikern från NTNU i Trondheim tillägger att "denna kartläggning av excitationerna av en antiferromagnet på ett pseudospin möjliggör en förståelse och ett kraftfullt tillvägagångssätt som har varit den avgörande grunden för att behandla transportfenomen i elektroniska system. I vårt fall, detta gör det möjligt för oss att beskriva dynamiken i systemet på ett mycket enklare sätt, men ändå behålla en fullständig kvantitativ beskrivning av systemet. Viktigast, experimenten ger ett proof-of-concept för pseudospin, ett koncept som är nära relaterat till grundläggande kvantmekanik."

Låser upp den fulla potentialen hos antiferromagnetiska magnoner

Denna första experimentella demonstration av magnons pseudospindynamik i en antiferromagnetisk isolator bekräftar inte bara de teoretiska gissningarna om magnontransport i antiferromagneter, men ger också en experimentell plattform för att expandera mot rika elektronikinspirerade fenomen.

"Vi kanske kan realisera fascinerande nya saker som magnon-analogen av en topologisk isolator i antiferromagnetiska material" påpekar Rudolf Gross, direktör för Walther-Meissner-institutet, Professor i teknisk fysik (E23) vid Münchens tekniska universitet och medtalare för cluster of excellence Munich Centre for Quantum Science and Technology (MCQST). "Vårt arbete ger ett spännande perspektiv för kvanttillämpningar baserade på magnoner i antiferromagneter"