Ferromagnetism och antiferromagnetism har länge varit kända för forskare som två klasser av magnetisk ordning av material. Redan 2019 postulerade forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) en tredje klass av magnetism, kallad altermagnetism. Denna altermagnetism har varit föremål för häftig debatt bland experter sedan dess, och vissa har uttryckt tvivel om dess existens.
Nyligen kunde ett team av experimentella forskare under ledning av professor Hans-Joachim Elmers vid JGU för första gången vid DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) mäta en effekt som anses vara en signatur för altermagnetism, vilket ger bevis för existensen av denna tredje typ av magnetism. Forskningsresultaten publicerades i Science Advances .
Medan ferromagneter, som vi alla känner till från kylskåpsmagneter, har alla sina magnetiska moment inriktade i samma riktning, har antiferromagneter alternerande magnetiska moment. På makroskopisk nivå tar alltså de magnetiska momenten hos antiferromagneter ut varandra, så det finns inget externt magnetfält – vilket skulle få kylskåpsmagneter gjorda av detta material att helt enkelt falla av kylskåpsdörren.
De magnetiska momenten i altermagneter skiljer sig åt i hur de är orienterade. "Altermagneter kombinerar fördelarna med ferromagneter och antiferromagneter. Deras närliggande magnetiska moment är alltid antiparallella med varandra, som i antiferromagneter, så det finns ingen makroskopisk magnetisk effekt, men samtidigt uppvisar de en spinnpolariserad ström - precis som ferromagneter", förklarade professor Hans-Joachim Elmers, chef för magnetismgruppen vid JGU:s Fysiska institut.
Elektriska strömmar genererar vanligtvis magnetiska fält. Men om man betraktar en altermagnet som en helhet, som integrerar spinnpolarisationen i de elektroniska banden i alla riktningar, blir det uppenbart att magnetfältet måste vara noll trots den spinnpolariserade strömmen. Om uppmärksamheten å andra sidan begränsas till de elektroner som rör sig i en viss riktning, är slutsatsen att de måste ha en enhetlig spinn.
"Detta inriktningsfenomen har ingenting att göra med rumsliga arrangemang eller var elektronerna är belägna, utan bara med elektronhastighetens riktning," tillade Elmers. Eftersom hastighet (v) gånger massa (M) är lika med rörelsemängd (P), använder fysiker termen "momentrum" i detta sammanhang. Denna effekt förutspåddes tidigare av teoretiska grupper vid JGU ledda av professor Jairo Sinova och Dr. Libor Šmejkal.
"Vårt team var det första att experimentellt verifiera effekten," sa Elmers. Forskarna använde ett speciellt anpassat momentummikroskop. För sitt experiment exponerade teamet ett tunt lager ruteniumdioxid för röntgenstrålar. Den resulterande exciteringen av elektronerna var tillräcklig för deras emission från ruteniumdioxidskiktet och deras detektering.
Baserat på hastighetsfördelningen kunde forskarna bestämma hastigheten på elektronerna i ruteniumdioxiden. Och med hjälp av cirkulärt polariserad röntgenstrålning kunde de till och med sluta sig till rotationsriktningarna.
För sitt momentummikroskop ändrade forskarna fokalplanet som normalt används för observation i standardelektronmikroskop. Istället för en förstorad bild av ruteniumoxidfilmens yta visade deras detektor en representation av momentumrymden.
"Olika rörelsemängder uppträder vid olika positioner på detektorn. Enkelt uttryckt representeras de olika riktningarna i vilka elektronerna rör sig i ett lager av motsvarande punkter på detektorn", sa Elmers.
Altermagnetism kan också vara relevant för spintronik. Detta skulle innebära att man använder elektronernas magnetiska moment istället för deras laddning i dynamiskt direktminne. Som ett resultat kan lagringskapaciteten ökas avsevärt.
"Våra resultat kan vara lösningen på vad som är en stor utmaning inom spintronikområdet", föreslog Elmers. "Att utnyttja potentialen hos altermagneter skulle göra det lättare att läsa lagrad information baserat på spinnpolarisationen i de elektroniska banden."
Mer information: Olena Fedchenko et al, Observation of time-reversal symmetri breaking in the band structure of altermagnetic RuO 2, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4883
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Johannes Gutenberg University Mainz
