Pieni puristus antaa vihjeitä epätavallisesta magneetista

Rice yliopiston tutkijat ovat havainneet, että rautasulfidikiteen varovainen puristaminen voi muuttaa kahta sen epätavallista ominaisuutta samanaikaisesti: sen pientä magneettista signaalia ja tapaa, jolla sähkö kulkee sen läpi.

Tulos antaa tieteilijöille selkeämmän kuvan siitä, miten äskettäin tunnistettu magneettisten materiaalien luokka toimii, ja ehdottaa yksinkertaista tapaa hallita niiden käyttäytymistä.

Materiaali kuuluu altermagneetteina tunnettuun ryhmään. Ne herättävät kasvavaa kiinnostusta, koska ne yhdistävät kahden tutun magneettityypin hyödyllisiä ominaisuuksia. Kuten antiferromagneetit, niiden sisäiset magneettiset momentit enimmäkseen kumoavat toisensa, joten ne eivät tuota tavallisen magneetin voimakasta ulkoista magneettikenttää. Samaan aikaan ne voivat silti vaikuttaa liikkuviin elektroneihin tavoilla, jotka voisivat olla hyödyllisiä tulevaisuuden elektronisissa piirirakenteissa.

Ricen tiimi tutki rautasulfidin kuusikulmaista muotoa. Vaikka suurin osa sen magnetismista kumoaa toisensa, materiaalilla on hyvin pieni jäljelle jäävä magneettinen momentti. Se tuottaa myös epätavallisen sähköisen signaalin, joka tunnetaan anomaalisena Hall-ilmiönä: Kun virta kulkee materiaalin läpi, pieni jännite ilmestyy poikittain virran kulkusuuntaan, vaikka ulkoista magneettikenttää ei käytettäisikään.

”Tässä materiaalissa mielenkiintoista on se, että voimme tarkkailla pientä magneettista signaalia ja sähköistä signaalia samanaikaisesti”, sanoo tutkimuksen vastaava kirjoittaja Pengcheng Dai. ”Kun puristamme kidettä yhteen suuntaan, molemmat pienenevät yhdessä. Se kertoo meille, että nämä kaksi vaikutusta ovat läheisesti yhteydessä toisiinsa.”

Koepalaan kohdistuneen paineen kasvaessa pieni magneettinen momentti heikkeni, samoin epätavallinen sivuttaisjännite. Paljon suurempi taustalla oleva magneettinen järjestys pysyi kuitenkin olennaisesti muuttumattomana.

Sitten Oak Ridge National Laboratoryn neutronimittaukset osoittivat, että magneettinen perusrakenne pysyy samana, mutta puristus muuttaa sitä, mitkä magneettiset orientaatiot ovat yleisimpiä kiteen sisällä.

Löydökset vastaavat myös tärkeään kysymykseen siitä, miksi materiaali tuottaa epätavallisen sähköisen signaalinsa. Yksi yleinen selitys liittyy tapaan, jolla elektronit liikkuvat kiteen elektronirakenteen läpi, ilmiöön, jota fyysikot kuvaavat termillä "Berry-kaarevuus". Ricen kokeet eivät sulje pois tätä selitystä. Ne kuitenkin osoittavat, että sähköinen signaali muuttuu materiaalin pienen magneettisen momentin tahdissa, mikä viittaa siihen, että nämä kaksi liittyvät samaan taustalla olevaan fysiikkaan.

”Emme väitä, että elektroninen selitys olisi väärä”, sanoi tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Weiliang Yao. ”Mittauksemme osoittavat, että pieni magneettinen momentti ja anomaalinen Hall-ilmiö ovat vahvasti yhteydessä toisiinsa tässä materiaalissa. Sen ymmärtäminen, miksi ne tarkalleen ottaen ovat yhteydessä toisiinsa, onkin seuraava tärkeä kysymys.”

Aiheesta aiemmin:

Uusia magnetismin ilmiöitä

Huonelämpötilainen Hall-ilmiö ilman magneettikenttää

Twistroniikalla altermagnetismia tuottaen