En exotisk form av magnetism har upptäckts och kopplats till en lika exotisk typ av elektroner, enligt forskare som analyserade en ny kristall där de visas på National Institute of Standards and Technology (NIST). Magnetismen skapas och skyddas av kristallens unika elektroniska struktur, erbjuder en mekanism som kan utnyttjas för snabbt, robusta informationslagringsenheter.

Det nyligen uppfunna materialet har en ovanlig struktur som leder elektricitet men får de flödande elektronerna att bete sig som masslösa partiklar, vars magnetism är kopplad till rörelsens riktning. I andra material, sådana Weyl -elektroner har framkallat nya beteenden relaterade till elektrisk konduktivitet. I detta fall, dock, elektronerna främjar spontanbildning av en magnetisk spiral.

"Vår forskning visar ett sällsynt exempel på att dessa partiklar driver kollektiv magnetism, "sa Collin Broholm, en fysiker vid Johns Hopkins University som ledde det experimentella arbetet vid NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Vårt experiment illustrerar en unik form av magnetism som kan uppstå från Weyl -elektroner."

Resultaten, som visas i Naturmaterial , avslöja en komplex relation mellan materialet, elektronerna som flödar genom den som ström och den magnetism materialet uppvisar.

I en kylskåpsmagnet, vi föreställer oss ibland var och en av dess järnatomer som att ha en stavmagnet som genomborrar den med sin "norr" pol som pekar i en viss riktning. Denna bild hänvisar till atomernas rotationsorienteringar, som ligger parallellt. Materialet laget studerade är annorlunda. Det är en "halvmetall" gjord av kisel och metallerna aluminium och neodym. Tillsammans bildar dessa tre element en kristall, vilket innebär att dess komponentatomer är arrangerade i ett regelbundet upprepande mönster. Dock, det är en kristall som bryter inversionssymmetri, vilket betyder att det upprepande mönstret är annorlunda på ena sidan av en kristalls enhetsceller - den minsta byggstenen i ett kristallgitter - än den andra. Detta arrangemang stabiliserar elektronerna som flödar genom kristallen, som i sin tur driver ovanligt beteende i sin magnetism.

Elektronernas stabilitet visar sig som en enhetlighet i riktningen av deras snurr. I de flesta material som leder elektricitet, såsom koppartråd, elektronerna som flödar genom tråden har snurr som pekar i slumpmässiga riktningar. Inte så i halvmetalen, vars trasiga symmetri omvandlar de flödande elektronerna till Weyl -elektroner vars snurr är orienterade antingen i den riktning som elektronen färdas eller i exakt motsatt riktning. Det är denna låsning av Weyl -elektronernas snurr till deras rörelseriktning - deras momentum - som orsakar halvmetallens sällsynta magnetiska beteende.

Materialets tre typer av atomer leder alla elektricitet, tillhandahålla stegstenar för elektroner när de hoppar från atom till atom. Dock, endast neodymium (Nd) atomer uppvisar magnetism. De är mottagliga för påverkan av Weyl -elektronerna, som driver Nd -atomen snurrar på ett nyfiket sätt. Titta längs alla rader av Nd -atomer som sträcker sig diagonalt genom halvmetallen, och du kommer att se vad forskargruppen kallar en "spinnspiral".

"Ett förenklat sätt att föreställa sig det är den första Nd -atomens spinnpunkter till klockan 12, sedan nästa till 4 -tiden, sedan den tredje till 8 -tiden, ”Sa Broholm.” Sedan upprepas mönstret. Denna vackra spinn "textur" drivs av Weyl -elektronerna när de besöker närliggande Nd -atomer. "

Det krävdes ett samarbete mellan många grupper inom Institute for Quantum Matter vid Johns Hopkins University för att avslöja den speciella magnetism som uppstår i kristallen. Det inkluderade grupper som arbetar med kristallsyntes, sofistikerade numeriska beräkningar och neutronspridningsexperiment.

"För neutronspridningen, vi hade stor nytta av den omfattande mängd neutrondiffraktionstråltid som var tillgänglig för oss på NIST Center for Neutron Research, "sa Jonathan Gaudet, en av tidningens medförfattare. "Utan stråltiden, vi skulle ha missat denna vackra nya fysik. "

Varje slinga i spinnspiralen är cirka 150 nanometer lång, och spiralerna visas bara vid kalla temperaturer under 7 K. Broholm sa att det finns material med liknande fysikaliska egenskaper som fungerar vid rumstemperatur, och att de kan utnyttjas för att skapa effektiva magnetiska minnesenheter.

"Magnetminneteknik som hårddiskar kräver vanligtvis att du skapar ett magnetfält för att de ska fungera, "sa han." Med denna materialklass, du kan lagra information utan att behöva applicera eller upptäcka ett magnetfält. Att läsa och skriva informationen elektriskt är snabbare och mer robust. "

Att förstå effekterna som Weyl -elektronerna driver kan också belysa andra material som har väckt oro hos fysiker.

"I grunden vi kanske kan skapa en mängd olika material som har olika interna snurregenskaper - och kanske har vi redan, "Sa Broholm." Som ett samhälle, vi har skapat många magnetiska strukturer som vi inte direkt förstår. Efter att ha sett den speciella karaktären hos Weyl-medierad magnetism, vi kan äntligen kunna förstå och använda sådana exotiska magnetiska strukturer. "