Magneettisten supervoimien vapauttaminen

Kondensoituneen aineen fysiikan jatkuvasti kehittyvässä maisemassa Peter Grünberg -instituutin, ÉPFL:n, Paul Scherrer Instituutin ja Jülich Center for Jülich Centerin tutkijoiden yhteistyö on syventynyt tutkimattomiin magnonisiin ominaisuuksiin Mn5Ge3:ssa, kolmiulotteisessa ferromagneettisessa materiaalissa.

Topologialla, joka on nykyfysiikan keskeinen käsite, on jo muuntava rooli kiinteiden aineiden elektronien ymmärtämisessä. Kvantti Hall -efekteistä topologisiin eristeisiin topologian vaikutus on kauaskantoinen.

Tässä yhteydessä painopiste on siirtynyt magnoneihin – magneettisten momenttien kollektiiviseen prekessioon – topologisten vaikutusten mahdollisina kantajina. Topologia on agnostinen sen suhteen, ovatko (quasi)hiukkaset fermioneja vai bosoneja, joten magnonit voivat myös olla vastuussa uusista fysikaalisista vaikutuksista.

Tutkimusryhmä pyrki tutkimaan Mn5Ge3:n, 3D-sentrosymmetrisen ferromagneetin, magnonisia ominaisuuksia. Tiheysfunktionaalisten teorialaskelmien, spin-mallisimulaatioiden ja neutronien sirontakokeiden yhdistelmän avulla he selvittivät materiaalin epätavallisen magnonisen kaistarakenteen.

Keskeinen paljastus oli Dirac-magnonien olemassaolo, jossa on energiaeron rako, ilmiö, joka johtuu Dzyaloshinskii-Moriya -vuorovaikutuksista.

Tämä materiaalissa tunnistettu vuorovaikutus on vastuussa kaistaraon luomisesta magnonispektrissä. Raon säädettävyys kiertämällä magnetointisuuntaa magneettikenttää käyttämällä luonnehtii Mn5Ge3:a kolmiulotteisena materiaalina, jossa on aukollisia Dirac-magnoneja. Tämä teoreettisesti selitetty ja kokeellisesti osoitettu kaistarako korostaa Mn5Ge3:n magnonien topologista luonnetta.

Tutkimusryhmän havainnot eivät ainoastaan edistä topologisten magnonien perustavaa ymmärtämistä, vaan myös korostavat Mn5Ge3:a mahdollisena pelin muuttajana magneettisten materiaalien alueella.

Mn5Ge3:ssa paljastuneiden tekijöiden monimutkainen vuorovaikutus avaa uusia mahdollisuuksia suunnitella materiaaleja, joilla on räätälöityjä magneettisia ominaisuuksia. Koska materiaalin magneettisia ominaisuuksia voidaan hienosäätää, näiden topologisten magnonien integroiminen uusiin rakennekonsepteihin käytännön sovelluksissa tulee yhä mahdollisemmaksi.

Kun tiedeyhteisö jatkaa kiinteän aineen fysiikan rajojen tutkimista, tämä tutkimus on merkittävä virstanpylväs magneettisten materiaalien mysteerien selvittämisessä. Tutkimus paitsi laajentaa ymmärrystä magnoneista, mutta myös tasoittaa tietä niiden ainutlaatuisten kvanttiominaisuuksien hyödyntämiselle tulevaisuuden teknologioissa kertoo aiheesta julkaistu tiedote.

Aiheesta aiemmin:

Elektromagnoniikasta uusi tiedonkäsittelyn alusta

Multiferroisista spintroniikan pelin muuttajia?

Fotonit ja magnonit kaveraavat