I en ny studie har forskare undersökt den nyupptäckta klassen av altermagnetiska material för deras termiska egenskaper, vilket ger insikter om altermagneternas utmärkande natur för spin-kaloritroniska tillämpningar.
Magnetism är ett gammalt och väl undersökt ämne som lämpar sig för många applikationer, som motorer och transformatorer. Men nya magnetiska material och fenomen studeras och upptäcks, varav en är altermagneter.
Altermagneter uppvisar en unik blandning av magnetiska egenskaper, som skiljer dem från konventionella magnetiska material som ferromagneter och antiferromagneter. Dessa material uppvisar egenskaper som observeras i både ferromagneter och antiferromagneter, vilket gör deras studier lockande.
Den aktuella forskningen, publicerad i Physical Review Letters , utforskar de termiska egenskaperna hos altermagneter och leddes av Prof. Wanxiang Feng och Prof. Yugui Yao från Beijing Institute of Technology.
På tal om deras motivation bakom att utforska altermagneter, sa Prof. Feng till Phys.org, "Magnetism är ett uråldrigt och fascinerande ämne inom fast tillståndsfysik. När vi utforskade icke-kollinjära magneter under de senaste decennierna, stötte vi på en ny typ av kolinjär magnet, altermagneten."
Prof. Yao tillade, "Med en dubbel natur som liknar både ferromagneter och antiferromagneter, fascinerade altermagneter oss med potentialen för nya fysiska effekter. Vår motivation härrörde från önskan att förstå och låsa upp de unika egenskaperna hos dessa magnetiska material."
Magnetiska egenskaper kommer från atomernas beteende, särskilt arrangemanget och rörelsen av elektroner i ett material.
"I magnetiska material, på grund av utbytesinteraktionen mellan atomer, arrangerar de spinnmagnetiska momenten parallellt eller antiparallellt, och bildar de vanligaste ferromagneterna respektive antiferromagneterna, som har studerats i över ett sekel", förklarade Prof. Feng.
Altermagneter trotsar konventionella normer genom att förkroppsliga en dubbel natur – som liknar antiferromagneter med noll nettomagnetisering och ferromagneter med icke-relativistisk spinndelning.
I altermagneter kombineras kollinjär antiparallell magnetisk ordning med icke-relativistisk spinnsplittring, vilket resulterar i noll nettomagnetisering som liknar antiferromagneter och ferromagnetisk spinndynamik samtidigt.
Detta unika beteende kommer från det invecklade samspelet mellan atomer i kristallstrukturen. Till exempel, ruteniumdioxid, ämnet för denna forskning, visar spindegeneration inducerad av icke-magnetiska syreatomer, vilket bryter rums- och tidssymmetrier. Detta leder till materialets unika magnetiska egenskaper.
Dessutom uppvisar altermagneter en unik spinnpolarisering. Termen "snurrpolarisering" betyder att en övervägande del av elektronsnurr tenderar att riktas in i en viss riktning.
Spinnpolariseringen är anmärkningsvärd i altermagneter eftersom den sker i det fysiska arrangemanget av atomer (verkliga rymden) och i momentumrymden, där fördelningen av elektronspin i materialet beaktas.
Forskarna fokuserade på att studera uppkomsten av kristall Nernst och kristalltermiska Hall-effekter i rubidiumdioxid (RuO2 ), vald som en representant för altermagnetism.
Kristall-Nernst-effekten (CNE) som observeras i altermagneter är ett resultat av deras utmärkande magnetiska natur. Enkelt uttryckt, eftersom materialet upplever en temperaturskillnad över dess dimensioner, leder det till uppkomsten av en spänning vinkelrät mot både temperaturgradienten och magnetfältet. Detta fenomen avslöjar att materialets magnetiska egenskaper påverkar dess reaktion på temperaturförändringar, vilket ger insikter i det invecklade sambandet mellan termiska och magnetiska beteenden i altermagneter.
I altermagneter påverkas denna effekt avsevärt av Néel-vektorns riktning, som representerar riktningen i vilken närliggande magnetiska moment är i linje. Detta lägger till ett extra lager av komplexitet till den termiska responsen.
På liknande sätt belyser den termiska Hall-effekten (CTHE) hur värme rör sig i altermagneter. Liksom den traditionella termiska Hall-effekten uppträder den vinkelrätt mot temperaturgradienten och magnetfältet. I altermagneter visar CTHE signifikant variation beroende på Néels vektorriktning. Denna anisotropi är en central faktor för att förstå det termiska transportbeteendet som är unikt för altermagnetiska material.
Termiska egenskaper för RuO2
Forskningsmetoden använde en dubbel strategi, som kombinerar symmetrianalys och banbrytande beräkningar av första principer, för att reda ut de termiska transportegenskaperna hos RuO2 . Symmetrianalys spelade en avgörande roll för att reda ut de grundläggande orsakerna bakom uppkomsten av altermagnetism.
Genom två symmetrioperationer som involverar rumslig inversion, tidsomkastning och gittertranslation, visade studien det invecklade samspelet mellan atomer i kristallstrukturen, vilket visar hur omagnetiska syreatomer inducerade icke-relativistisk spinnsplittring i energiband.
Denna process resulterade i att kristallin tidsomkastningssymmetri bröts, vilket gav upphov till distinkta kristallvärmetransportegenskaper.
"Genom detaljerad analys identifierade vi tre fysiska mekanismer som bidrar till kristallvärmetransport:Weyl pseudo-nodal linjer, altermagnetiska pseudo-nodala plan och altermagnetiska stegövergångar", säger Prof. Yao.
Enkelt uttryckt är Weyls pseudo-nodallinjer banor som leder värme i materialet, altermagnetiska pseudo-nodalplan kan vara bilder som utpekade zoner som påverkar värmeflödet, och altermagnetiska stegövergångar kan ses som materialets sätt att klättra en värme stege.
Dessa fynd är spännande eftersom de spelar en betydande roll i hur värmen rör sig i altermagneter.
Forskarna upptäckte en utökad Wiedemann-Franz-lag i RuO2 , kopplar samman materialets ovanliga termiska och elektriska transportegenskaper. Tvärtemot konventionella förväntningar fungerar denna utökade lag över ett bredare temperaturintervall, som sträcker sig över 150 Kelvin.
Forskarna tror att altermagneter kan ha en avgörande roll i spinnkaloritronik, ett forskningsfält som utforskar samspelet mellan spinn och värmeflöde, vilket inte är möjligt med ferromagneter eller antiferromagneter. Detta område har potentiella tillämpningar för att utveckla ny teknik för informationsbehandling och lagring.
"Altermagnetiska material med kolinjär antiparallell magnetisk ordning uppvisar snabbare spindynamik och lägre känslighet för strömagnetiska fält jämfört med ferromagnetiska material. Detta gör dem lovande för att uppnå högre lagringstäthet och snabbare spinn-kaloritroniska enheter", förklarade Prof. Feng.
Forskarna har också för avsikt att undersöka termisk transport av högre ordning och magneto-optiska effekter i framtiden.
På tal om detta sa Prof. Yao:"Vi är nyfikna på skillnaderna i termisk transport av kristaller av högre ordning och magneto-optiska effekter av hög ordning i altermagneter jämfört med antiferromagneter eller ferromagneter. Vi är i de tidiga stadierna av denna teknik, och det är en lång resa framför sig innan det blir praktiskt möjligt."
Mer information: Xiaodong Zhou et al, Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.056701. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.01410
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
