Uusi laji magnetismia

Ferromagnetismi ja antiferromagnetismi ovat pitkään olleet tiedossa materiaalien magneettisen järjestyksen kahtena luokkana. Vuonna 2019 Johannes Gutenbergin yliopiston Mainzin (JGU) tutkijat olettivat kolmannen magnetismin luokan, jota kutsutaan altermagnetismiksi.

Tämä altermagnetismi (muuttua, muuttaa) on ollut kiivaan keskustelun kohteena asiantuntijoiden keskuudessa siitä lähtien kun jotkut ovat ilmaisseet epäilyksiä sen olemassaolosta.

Äskettäin JGU:n professori Hans-Joachim Elmersin johtama kokeellisten tutkijoiden ryhmä pystyi ensimmäistä kertaa DESYssä (Deutsches Elektronen-Synchrotron) mittaamaan vaikutuksen, jota pidetään altermagnetismin tunnusmerkkinä, ja näin saatiin todisteita sen olemassaolosta.

Myös Etelä-Korealaiset tutkijat sekä Swiss Light Source SLS:ssä tehdyllä työllä, jota johti Tšekin tiedeakatemia yhdessä Paul Scherrer Institute PSI:n kanssa, ovat osoittaneet altermagnetismin olemassaolon.

Tämän uuden magnetismin haaran kokeellinen löytö merkitsee uutta perusfysiikkaa, jolla on merkittäviä vaikutuksia spintroniikkaan.

Altermagneeteilla on erityinen yhdistelmä spinien ja kidesymmetrian järjestelyistä. Spinit vuorottelevat, kuten antiferromagneeteissa, jolloin nettomagnetisaatiota ei tapahdu. Silti symmetriat eivät yksinkertaisesti kumoudu, vaan antavat elektronisen nauharakenteen, jossa on voimakas spinpolarisaatio, joka kääntää suuntaansa kulkiessaan materiaalin energiakaistojen läpi – tästä syystä nimi altermagnets. Tämä johtaa erittäin hyödyllisiin ominaisuuksiin, jotka muistuttavat enemmän ferromagneetteja, sekä joitakin täysin uusia ominaisuuksia.

Tämä kolmas magneettinen ominaisuus tarjoaa selkeitä etuja seuraavan sukupolven magneettisen muistitekniikan, joka tunnetaan spintroniikkana, kehittyvälle alueelle. Kun elektroniikka hyödyntää vain elektronien varausta, spintroniikka käyttää myös elektronien spin-tilaa tiedon kuljettamiseen.

Vaikka spintroniikka on jo muutaman vuoden luvannut mullistaa IT:n, se on vielä lapsenkengissään. Tyypillisesti tällaisissa laitteissa on käytetty ferromagneetteja, koska ne tarjoavat tiettyjä erittäin toivottavia voimakkaita spin-riippuvaisia fysikaalisia ilmiöitä.

Silti makroskooppinen netttomagnetointi, joka on hyödyllinen niin monissa muissa sovelluksissa, asettaa käytännön rajoituksia näiden laitteiden skaalaukselle, koska se aiheuttaa ylikuulumista bittien välillä.

Äskettäin antiferromagneetteja on tutkittu spintroniikassa, koska ne hyötyvät nettomagnetisoimattomuudesta ja tarjoavat siten skaalautuvuutta ja energiatehokkuutta. Kuitenkin voimakkaat spin-riippuvaiset vaikutukset, jotka ovat niin hyödyllisiä ferromagneeteissa, puuttuvat, mikä taas estää niiden käytännön sovellettavuuden.

Tässä tulevat avuksi altermagneetit, joissa on molemmista parhaat: nolla nettomagnetisaatio sekä halutut voimakkaat spin-riippuvaiset ilmiöt, joita tyypillisesti esiintyy ferromagneeteissa – etuja, joita pidettiin periaatteessa yhteensopimattomina.

"Se on altermagnetien taikuutta", sanoo tutkimuksen päätutkija Tomáš Jungwirth Tšekin tiedeakatemian fysiikan instituutista. "Jotain, jonka ihmiset uskoivat olevan mahdotonta ennen viimeaikaisia teoreettisia ennusteita, on itse asiassa mahdollista."

Aiheesta aiemmin:

Magneettisten supervoimien vapauttaminen

Magnetismia ei-magneettisissa materiaaleissa

Ruoste ja topologia tehostavat magnetismia