Det finns nu ett nytt tillskott till den magnetiska familjen:tack vare experiment vid den schweiziska ljuskällan SLS har forskare bevisat existensen av altermagnetism. Den experimentella upptäckten av denna nya gren av magnetism rapporteras i Nature och betecknar ny fundamental fysik, med stora konsekvenser för spintronik.
Magnetism är mycket mer än bara saker som fastnar i kylen. Denna förståelse kom med upptäckten av antiferromagneter för nästan ett sekel sedan. Sedan dess har familjen av magnetiska material delats upp i två grundläggande faser:den ferromagnetiska grenen känd i flera årtusenden och den antiferromagnetiska grenen.
Det experimentella beviset för en tredje gren av magnetism, kallad altermagnetism, gjordes vid Swiss Light Source SLS, genom ett internationellt samarbete ledd av den tjeckiska vetenskapsakademin tillsammans med Paul Scherrer Institute PSI.
De fundamentala magnetiska faserna definieras av de specifika spontana arrangemangen av magnetiska moment – eller elektronsnurr – och av atomer som bär momenten i kristaller.
Ferromagneter är den typ av magneter som fastnar på kylskåpet:här pekar snurrar i samma riktning, vilket ger makroskopisk magnetism. I antiferromagnetiska material pekar snurr i alternerande riktningar, med resultatet att materialen inte har någon makroskopisk nätmagnetisering - och därmed inte fastnar i kylen. Även om andra typer av magnetism, såsom diamagnetism och paramagnetism, har kategoriserats, beskriver dessa specifika reaktioner på externt applicerade magnetfält snarare än spontana magnetiska ordningar i material.
Altermagneter har en speciell kombination av arrangemanget av spinn och kristallsymmetrier. Snurren växlar, som i antiferromagneter, vilket resulterar i ingen nettomagnetisering. Ändå, snarare än att bara ta bort, ger symmetrierna en elektronisk bandstruktur med stark spinnpolarisering som vänder i riktning när du passerar genom materialets energiband – därav namnet altermagneter. Detta resulterar i mycket användbara egenskaper som mer liknar ferromagneter, samt några helt nya egenskaper.
Detta tredje magnetiska syskon erbjuder tydliga fördelar för det växande området för nästa generations magnetiska minnesteknologi, känd som spintronics. Medan elektroniken endast använder laddningen av elektronerna, utnyttjar spintronik också elektronernas spin-tillstånd för att överföra information.
Även om spintronics under några år har lovat att revolutionera IT, är det fortfarande i sin linda. Typiskt har ferromagneter använts för sådana anordningar, eftersom de erbjuder vissa mycket önskvärda starka spinnberoende fysikaliska fenomen. Ändå innebär den makroskopiska nätmagnetiseringen som är användbar i så många andra tillämpningar praktiska begränsningar för skalbarheten hos dessa enheter eftersom den orsakar överhörning mellan bitar – de informationsbärande elementen i datalagring.
På senare tid har antiferromagneter undersökts för spintronik, eftersom de drar nytta av att de inte har någon nettomagnetisering och därför erbjuder ultraskalbarhet och energieffektivitet. Men de starka spinnberoende effekterna som är så användbara i ferromagneter saknas, vilket återigen hindrar deras praktiska tillämpbarhet.
Här anger altermagneter med det bästa av båda:noll nettomagnetisering tillsammans med de eftertraktade starka spinnberoende fenomenen som vanligtvis finns i ferromagneter - fördelar som ansågs vara i princip inkompatibla.
"Det är magin med altermagneter", säger Tomáš Jungwirth från Institutet för fysik vid den tjeckiska vetenskapsakademin, huvudutredare för studien. "Något som folk trodde var omöjligt tills de senaste teoretiska förutsägelserna [visade det] är faktiskt möjligt."
Mumlande om att en ny typ av magnetism låg på lur började för inte så länge sedan:2019 identifierade Jungwirth tillsammans med teoretiska kollegor vid den tjeckiska vetenskapsakademin och University of Mainz en klass av magnetiska material med en spinnstruktur som inte passade in i de klassiska beskrivningarna av ferromagnetism eller antiferromagnetism.
År 2022 publicerade teoretikerna sina förutsägelser om existensen av altermagnetism. De avslöjade mer än tvåhundra altermagnetiska kandidater i material från isolatorer och halvledare till metaller och supraledare. Många av dessa material har varit välkända och omfattande utforskade i det förflutna, utan att märka deras altermagnetiska natur. På grund av de enorma forsknings- och tillämpningsmöjligheter som altermagnetism innebär, väckte dessa förutsägelser stor spänning inom samhället. Sökningen pågick.
Att erhålla direkta experimentella bevis på att altermagnetism existerade krävde att demonstrera de unika spinsymmetriegenskaperna som förutspås i altermagneter. Beviset kom med hjälp av spin- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi vid SIS (COPHEE-ändstation) och ADRESS-strållinjer för SLS. Denna teknik gjorde det möjligt för teamet att visualisera en kontrollampa i den elektroniska strukturen hos en misstänkt altermagnet:splittringen av elektroniska band som motsvarar olika spinntillstånd, känd som upphävandet av Kramers spindegeneration.
Upptäckten gjordes i kristaller av mangantellurid, ett välkänt enkelt tvåelementsmaterial. Traditionellt har materialet betraktats som en klassisk antiferromagnet eftersom de magnetiska momenten på närliggande manganatomer pekar i motsatta riktningar, vilket genererar en försvinnande nätmagnetisering.
Antiferromagneter bör dock inte uppvisa upphävd Kramers spindegeneration av den magnetiska ordningen, medan ferromagneter eller altermagneter bör. När forskarna såg lyftet av Kramers spindegeneration, åtföljd av den försvinnande nätmagnetiseringen, visste de att de tittade på en altermagnet.
"Tack vare den höga precisionen och känsligheten i våra mätningar kunde vi upptäcka den karakteristiska alternerande uppdelningen av energinivåerna som motsvarar motsatta spinntillstånd och därmed visa att mangantellurid varken är en konventionell antiferromagnet eller en konventionell ferromagnet utan tillhör den nya altermagnetiska grenen av magnetiska material", säger Juraj Krempasky, strållinjeforskare i Beamline Optics Group vid PSI och första författare till studien.
Strållinjerna som möjliggjorde denna upptäckt är nu demonterade i väntan på SLS 2.0-uppgraderingen. Efter tjugo år av framgångsrik vetenskap kommer COPHEE-slutstationen att vara helt integrerad i den nya "QUEST"-strållinjen. "Det var med de sista fotonerna av ljus på COPHEE som vi gjorde dessa experiment. Att de gav ett så viktigt vetenskapligt genombrott är väldigt känslosamt för oss", tillägger Krempasky.
"Nu när vi har fört fram det kommer många människor runt om i världen att kunna arbeta med det."
Forskarna tror att denna nya grundläggande upptäckt inom magnetism kommer att berika vår förståelse av kondenserad materias fysik, med inverkan på olika forsknings- och teknikområden. Förutom dess fördelar för det växande området för spintronik, erbjuder den också en lovande plattform för att utforska okonventionell supraledning, genom nya insikter om supraledande tillstånd som kan uppstå i olika magnetiska material.
"Altermagnetism är faktiskt inte något enormt komplicerat. Det är något helt fundamentalt som funnits framför våra ögon i årtionden utan att märka det", säger Jungwirth. "Och det är inte något som bara finns i ett fåtal obskyra material. Det finns i många kristaller som människor helt enkelt hade i sina lådor. På det sättet, nu när vi har fört fram det, kommer många människor runt om i världen att kunna arbeta på det, vilket ger potential för en bred effekt."
Mer information: Juraj Krempaský, Altermagnetiskt lyft av Kramers spindegeneration, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06907-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Paul Scherrer Institute
