Altermagnetism: Un nou tip de magnetism, cu implicatii largi pentru tehnologie si cercetare

Altermagnetism – Ce este?

Altermagnetismul este un concept din fizica materialelor care se refera la un nou tip de ordine magnetica intr-o clasa de materiale magnetice. In altermagnetism momentele magnetice sunt orientate in mod alternant intre diferite sub-retele atomice. Aceasta stare difera de feromagnetism, unde momentele sunt aliniate paralel. (in antiferomagnetism momentele sunt aliniate antiparalel).

In materialele altermagnetice, momentele magnetice alterneaza intr-un mod specific. Acest fenomen poate duce la proprietati magnetice unice, inclusiv anizotropii magnetice si comportamente de transport neobisnuite. Aceste materiale pot avea aplicatii potentiale in spintronica si tehnologii de memorie datorita modului lor distinct de a manipula spinurile electronilor.

• Momentele magnetice sunt proprietati fundamentale ale particulelor si materialelor. Acestea descriu modul in care ele raspund la un camp magnetic extern. In esenta, un moment magnetic este o masura a tendintei unei particule sau unui obiect de a se alinia cu un camp magnetic.

Ce este spintronica?

Spintronica, prescurtarea de la “spin transport electronics”, este un domeniu al fizicii si al ingineriei care exploateaza atat sarcina electrica a electronilor, cat si spinul lor pentru a crea noi tehnologii de memorie si procesare a informatiilor. Spre deosebire de electronica traditionala, care se bazeaza pe miscarea sarcinilor electronice (adica curentul electric), spintronica foloseste si proprietatea fundamentala a electronilor numita spin, care poate fi in una dintre doua stari, de obicei denumite “sus” si “jos”. Aceasta este considerata o tehnologie emergenta care ar putea revolutiona domeniul calculatoarelor si al stocarii datelor, oferind performante mai mari, eficienta energetica si noi functionalitati care nu sunt posibile cu electronica conventionala.

Altermagnetism si magneti

O categorie noua si utila – altermagnetismul

Acesta noua categorie magnetica ofera avantaje distincte pentru dezvoltarea noii tehnologii de memorie magnetica. In timp ce electronica utilizeaza doar sarcina electronilor, spintronica exploateaza si starea de spin a electronilor pentru a transporta informatii.

Desi spintronica promite de cativa ani ca va revolutiona industria IT, este inca in faza incipienta. In mod obisnuit, au fost utilizati feromagnetii pentru astfel de dispozitive, deoarece prezinta anumite fenomene fizice. Cu toate acestea, magnetizarea neta macroscopica, care este utila in atat de multe alte aplicatii, prezinta limitari practice asupra scalabilitatii acestor dispozitive. Motivul fiind provocarea unei legaturi incrucisate intre biti (elementele care transporta informatii in stocarea datelor).

Recent antiferomagnetii au fost analizati pentru spintronica. In acest mod antiferomagnetii beneficiaza de lipsa magnetizarii nete si, astfel, ofera ultra-scalabilitate si eficienta energetica. Cu toate acestea, efectele puternice dependente de spin care sunt atat de utile in feromagneti lipsesc. Iar acest lucru impiedica din nou aplicabilitatea lor practica.

Altermagnetismul combina cele mai bune calitati din ambele: magnetizare neta zero, impreuna cu ravnitele fenomene puternice dependente de spin, gasite de obicei in feromagneti.

“Aceasta este magia altermagnetilor“, spune Tom Jungwirth de la Institutul de Fizica al Academiei Cehe de Stiinte, investigator principal al studiului. “Ceva ce oamenii credeau ca era imposibil pana cand predictiile teoretice recente au aratat ca este de fapt posibil.“

Cautarea este in desfasurare

Nu cu mult timp in urma au aparut zvonuri ca un nou tip de magnetism. In 2019, Jungwirth impreuna cu colegii teoreticieni de la Academia Ceha de Stiinte si Universitatea din Mainz au identificat o clasa de materiale magnetice care le-au atras atentia. Acestea aveau o structura de spin care nu se incadreaza in descrierile clasice ale feromagnetismului sau antiferomagnetism.

In 2022, teoreticienii au publicat predictiile lor privind existenta altermagnetismului. Ei au descoperit mai mult de doua sute de candidati altermagnetici in materiale variind de la izolatori si semiconductori, la metale si supraconductori. Multe dintre aceste materiale au fost bine cunoscute si explorate pe larg in trecut, fara a observa natura lor altermagnetica. Datorita oportunitatilor uriase de cercetare si aplicare pe care le prezinta altermagnetismul, aceste predictii au provocat o mare emotie in cadrul comunitatii stiintifice.

Radiografiile ofera dovada

Obtinerea dovezii experimentale directe a existentei altermagnetismului a necesitat demonstrarea caracteristicilor unice ale simetriei de spin prezise in altermagnetism. Dovada a venit folosind spectroscopia de fotoemisie cu spin si unghi realizata la SIS (Fendstatia COPHEE) si la liniile de fascicul ale SLS. Aceasta tehnica a permis echipei sa vizualizeze o caracteristica de martor in structura electronica a unui presupus altermagnet. Divizarea benzilor electronice corespunzatoare diferitelor stari de spin, cunoscut sub numele de ridicarea degenerescentei spinului Kramers.

Descoperirea a fost facuta in cristale de telurura de mangan, un material binecunoscut. In mod traditional, materialul a fost privit ca un antiferomagnet clasic, deoarece momentele magnetice de pe atomii de mangan invecinati se indreapta in directii opuse, generand o magnetizare neta care dispare.

Cu toate acestea, antiferomagnetii nu ar trebui sa prezinte degenerarea spinului Kramers. In timp ce feromagnetii sau altermagnetii ar trebui. Cand oamenii de stiinta au vazut deplasarea spinului lui Kramer, insotita de magnetizarea neta care disparea, stiau ca se uita la un altermagnet.

Ce este spectroscopia de fotoemisie?

Spectroscopia de fotoemisie (PES – Photoemission Spectroscopy) este o tehnica de analiza care permite studierea proprietatilor electronice ale materialelor prin masurarea energiei si impulsului electronilor emisi atunci cand materialul este iluminat cu radiatie electromagnetica, de obicei ultraviolete sau raze X. Aceasta tehnica ofera informatii detaliate despre structura electronica a suprafetelor, straturilor subtiri si a materialelor in vrac.

Juraj Krempasky explicand altermagnetismul

“Datorita preciziei si sensibilitatii ridicate a masuratorilor noastre, am putea detecta separarea caracteristica alternativa a nivelurilor de energie corespunzatoare starilor de spin opuse si astfel sa demonstram ca telurura de mangan nu este nici un antiferomagnet conventional, nici un feromagnet conventional. Aceasta apartine unei noi ramuri altermagnetice a materialelor magnetice“, spune Juraj Krempasky, om de stiinta de la Beamline Optics Group si primul autor al studiului.

Liniile de fascicul care au permis aceasta descoperire sunt acum dezasamblate, asteptand actualizarea SLS 2.0. Dupa douazeci de ani de stiinta de succes, statia finala COPHEE va fi complet integrata in noua linie de fascicul “QUEST”. “Am facut aceste experimente cu ultimii fotoni de lumina la COPHEE. Ca am facut o descoperire stiintifica atat de importanta este foarte emotionant pentru noi”, adauga Krempasky.

“Acum ca l-am adus la lumina, multi oameni din intreaga lume vor putea sa lucreze la el”

Cercetatorii cred ca aceasta noua descoperire fundamentala din magnetism va imbogati intelegerea noastra a fizicii materiei condensate. Cu impact in diverse domenii de cercetare si tehnologie. Pe langa avantajele sale pentru domeniul in curs de dezvoltare al spintronicii, ofera, de asemenea, o platforma promitatoare pentru explorarea supraconductibilitatii neconventionale, prin noi perspective asupra starilor supraconductoare care pot aparea in diferite materiale magnetice.

“Cand vorbim despre altermagnetism nu este de fapt ceva extrem de complicat. Este ceva cu totul fundamental, care a fost in fata ochilor nostri timp de decenii, fara sa-l observe nimeni“, spune Jungwirth. “Si nu este ceva care exista doar in cateva materiale obscure. Exista in multe cristale pe care oamenii le aveau pur si simplu in sertare. In acest sens, acum ca l-am adus la lumina, multi oameni din intreaga lume vor putea sa il studieze, avand potentialul unui larg impact.“