Fysiker från universitetet i Augsburg lyckades urskilja kirala ordningar med liknande magnetisering men en motsatt rotationskänsla genom elektriska mätningar vid låga temperaturer. Detta är relevant för grundforskning om komplexa magneter och möjliga tillämpningar för magnetisk datalagring. Resultaten publicerades i Nature Physics .
Elektriska strömmar och magnetiska krafter är direkt kopplade till varandra:Strömförande kablar skapar ett cirkulärt magnetfält och vice versa avleder ett magnetfält elektriskt laddade partiklar vinkelrätt mot strömmen och mot fältriktningen. Det senare fenomenet kallas "Hall-effekten" för att hedra dess uppfinnare Edwin Hall.
Hall-effekten används för att undersöka elektriska och magnetiska egenskaper hos metaller. Den "normala Hall-effekten" tillåter oss att bestämma koncentrationen av laddare och deras rörlighet medan ett ytterligare bidrag märkt "anomal Hall-effekt" uppstår i magneter.
Vid Institutet för fysik vid universitetet i Augsburg har man nu funnit att den anomala Hall-effekten kan avslöja en dold symmetri. "Trots en likvärdig magnetisering visar två tillstånd distinkt olika anomala Hall-signaler, en överraskande och slående observation", förklarar Philipp Gegenwart, professor i experimentell fysik.
Undersökningarna gjordes med den magnetiska metallen HoAgGe, som har speciella magnetiska egenskaper som upptäcktes för fyra år sedan av prof. Gegenwarts team. Materialet har en triangulär konfiguration av atomära elektronspin av Holmium-atomer.
Eftersom det är omöjligt att samtidigt uppfylla alla parvisa interaktioner på varje triangel, uppstår ett magnetiskt frustrerat tillstånd. Den har flera energiskt degenererade konfigurationer per triangel och kallas Kagome spin ice. Snurren är placerade vid kanterna av hörndelade trianglar som liknar flätade japanska "Kagome"-korgar. Liknande regler som gäller för vattenis bestämmer de möjliga konfigurationerna av de magnetiska momenten.
I motsats till vanliga magneter är de magnetiska momenten i Kagome spin-is inte inriktade längs en riktning utan följer snarare komplexa kirala mönster, det vill säga med en annan känsla av rotation. De skapas i ett applicerat magnetfält vid låga temperaturer och har fraktionerade magnetiseringsplatåer vid värden 1/3 och 2/3. Figuren ovan visar två av dessa mönster med liknande energi och vardera 1/3 av mättnadsmagnetiseringen.
Studien av forskargruppen vid universitetet i Augsburg undersökte och analyserade systematiskt den anomala Hall-effekten vid låga temperaturer. Överraskande nog hittades olika värden på den anomala Hall-effekten för de två mönstren med 1/3 magnetisering, synliga som röda och svarta kurvor i diagrammet i figuren ovan.
Modellering av data avslöjade en underliggande unik dold symmetri:Kombinationen av en 180° rotation och en distorsionsomkastning krävs för att omvandla ett mönster till det andra. Ledningselektroner som sprider bort de två olika mönstren resulterar i olika krökningar av fasen av deras vågfunktioner, och detta leder till en skillnad i den anomala Hall-effekten, trots en liknande energi och magnetisering av de två olika mönstren.
Mer allmänt indikerar denna observation en ny potential för mätningar av den anomala Hall-effekten i magnetiskt frustrerade metaller, och för att avslöja dold symmetri och tillstånd genom elektriska mätningar. "Detta kan också vara intressant med avseende på permanent magnetisk datalagring i minsta atomskala", säger Gegenwart. Detta kräver dock lokal adressering och selektiv växling av känslan för rotationen av dessa mönster.
Mer information: K. Zhao et al, Diskreta degenerationer som kännetecknas av den anomala Hall-effekten i en metallisk kagome-isförening, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02307-w
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av University of Augsburg
