Altermagnetism – Cercetatorii descopera un nou tip de magnetism

De mii de ani, oamenii au fost atrasi de magia aparenta a magnetilor. Filozofii greci antici credeau ca rocile intunecate numite „lodestones” aveau suflet datorita capacitatii lor de a misca fulgii de fier.

Fizicienii stiu acum ca materialele magnetice isi extrag puterea din comportamentul atomilor din interiorul lor. Dar magnetismul inca detine secrete. Cercetatorii au descoperit recent semne ale unei clase complet noi de magnetism. Este una cu caracteristici ale fiecaruia dintre cele doua tipuri conventionale, feromagnetism si antiferomagnetism.

Predictii teoretice

Peste 200 de materiale ar trebui sa prezinte noul fenomen, conform predictiilor teoretice. Fizicienii se apropie de dovezi experimentale directe pentru acesta, ceea ce ar putea duce la dispozitive electronice mai eficiente. Au gasit deja o mana de materiale care par sa prezinte acest „tip fundamental nou de magnetism”, spune Paul McClarty, fizician la Laboratorul Léon Brillouin. „Ne extinde intelegerea asupra modurilor in care materia poate functiona.”

In interiorul materialelor solide, atomii sunt inconjurati de electroni care au toti o proprietate numita spin. Aceasta inzestreaza fiecare atom cu propriul sau camp magnetic minuscul. Spinul total pentru fiecare atom este reprezentat de o sageata care poate indica in directii diferite. In feromagneti, toate rotile din interiorul materialului sunt aliniate, rezultand un camp magnetic net. Pe langa lipirea fotografiilor de frigider, feromagnetii sunt folositori, deoarece invartirile lor pot fi rasturnate cu usurinta prin aplicarea unui alt camp magnetic, creand stari distincte care pot fi folosite ca memorie de computer. Aceasta tehnica a dat nastere tehnologiei emergente a spintronicii. Adica informatiile sunt codificate prin spin electronic mai degraba decat prin incarcare.

In anii 1930, oamenii de stiinta si-au dat seama ca este mult mai obisnuit ca rotatiile atomilor vecini sa se indrepte in directii opuse, astfel incat magnetizarea lor neta sa se anuleze. Deoarece aranjamentul esalonat este mult mai stabil decat cel uniform, acesti antiferomagneti sunt aproape imposibil de magnetizat cu campuri magnetice sau electrice aplicate. Cand fizicianul francez Louis Néel a castigat un premiu Nobel in 1970 pentru munca sa de pionierat asupra antiferomagnetismului, el a descris fenomenul ca fiind „interesant, dar inutil”. Cu toate acestea, conceptul s-a dovedit la indemana. In timpul celui de-al Doilea Razboi Mondial, bobinele electrice au fost folosite pentru a face corpurile navelor sa se comporte ca antiferomagneti si sa evite minele care cauta magneti.

Observatii experimentale din prezent

Mai recent, oamenii de stiinta au inceput sa elaboreze strategii pentru construirea de dispozitive spintronice din antiferomagneti. Desi invartirile lor rigide sunt mai greu de manipulat, ele se pot intoarce in principiu de 1000 de ori mai repede decat cele din feromagneti, permitand stocarea si procesarea informatiilor mai eficiente din punct de vedere energetic.

In urma cu cativa ani, Libor Šmejkal, un fizician la Universitatea Johannes Gutenberg din Mainz, cauta un posibil material spintronic antiferomagnetic. A dat peste un compus numit dioxid de ruteniu care parea promitator – dar ciudat. Calculele sale sugerau ca nu ar trebui sa aiba magnetizare neta, ca un antiferomagnet normal. Dar el a mai prezis ca atunci cand este supus unui curent electric, materialul se va comporta ca un feromagnet: fortele magnetice din material ar devia electronii din curent, ducand la o tensiune puternica in directia perpendiculara. In 2020, o echipa din China a confirmat experimental proprietatile paradoxale ale dioxidului de ruteniu.

                         Altermagnetismul demonstrat experimental.

In anul urmator, Šmejkal si colegii au prezentat o propunere . Acestia explicau modul in care materiale precum dioxidul de ruteniu ar putea fi partial feromagnet si partial antiferomagnet. L-au numit altermagnetism. In majoritatea materialelor, sagetile de spin de electroni se aliniaza cu orientarea atomilor lor gazda in reteaua cristalina. Dar, in unele materiale, sagetile de rotatie se pot roti independent de atomi. Šmejkal si colegii au considerat unul in care fiecare celalalt atom a fost rotit cu 90° si rotirea lui cu 180°.

Noua intorsatura a magnetismului

Proprietatile majoritatii materialelor magnetice depind de faptul daca campul magnetic al fiecarui atom, notat prin spinul sau, este indreptat in sus (roz) sau in jos (albastru). In altermagnetism, atomii si spinurile lor se rotesc independent, dandu-le proprietati atat ale feromagnetilor, cat si ale antiferomagnetilor.

A. Mastin/Science – Altermagnetism

Altermagnetismul ar combina cele mai apreciate caracteristici ale feromagnetilor si antiferomagnetilor. Cu magnetizare zero net, ele sunt impodobite cu stabilitatea si vitezele rapide de rotatie ale unui antiferomagnet. Dar invartirile dintr-un altermagnet, ca cele dintr-un feromagnet, pot fi introduse cu usurinta in stari distincte in sus si in jos, permitand o scriere mai usoara a memoriei. „Poti sa-ti iei tortul si sa-l mananci”, spune Jairo Sinova, un alt fizician din grupul Mainz. In timp ce spinurile feromagnetice sunt de obicei rasturnate cu campuri magnetice, spinurile intr-un altermagnet ar putea fi manipulate prin aplicarea de curenti in directii diferite.

Teoreticienii s-au grabit sa accepte descrierea lui Šmejkal datorita elegantei sale matematice. Insa multi sunt surprinsi ca fenomenul a trecut neobservat atat de mult timp. „Este una dintre acele constructe teoretice care sunt incontestabile”, spune Igor Mazin, fizician la Universitatea George Mason. „Cu toate acestea, nu s-a mai discutat niciodata inainte.”

Materiale

Se estimeaza ca peste 200 de materiale vor fi altermagnetice. Asta inseamna mai mult de dublu fata de numarul de materiale feromagnetice cunoscute. Cercetatorii incep acum sa caute proprietatea luminand cu laser un material pentru a-l convinge sa ejecteze electroni. Masurand proprietatile acelor electroni, oamenii de stiinta pot cauta un semn distinctiv al altermagnetismului: nivelurile de energie care se incadreaza in doua benzi distincte, reflectand atat electronii de spin-up, cat si cei de spin-down. (Antiferomagnetii au si electroni de spin-up si spin-down, dar se afla la aceleasi niveluri de energie.)

In 2024, o echipa din Coreea de Sud a descoperit impartirea estimata a energiilor electronilor din materialul telurura de mangan. Doua studii recente suplimentare identifica semnale similare in telurura de mangan si dioxidul de ruteniu si, de asemenea, incearca sa lege benzile de energie de polaritati specifice de spin. „Dovada clara este foarte greu de obtinut experimental”, spune Suyoung Lee, Ph.D. student la Universitatea Nationala din Seul care a condus unul dintre cele mai recente studii. „Dar as spune ca acum avem suficiente dovezi experimentale… ca altermagnetismul este intr-adevar un lucru.”

Noile experimente

McClarty spune ca noile experimente sunt „consecvente cu altermagnetismul”. Dezvaluie doar comportamentul rotatiei printr-o bucata din peisajul magnetic al materialului. Pana cand experimentalistii surprind comportamentul pe o intreaga structura 3D, „Nu mi-aş inchide haina”, spune el. De asemenea, inainte ca altermagnetii sa poata fi exploatati in dispozitive electronice, oamenii de stiinta trebuie sa invete sa sintetizeze materiale care au o orientare altermagnetica consistenta, mai degraba decat un mozaic de configuratii schimbatoare.

Mazin spune ca confirmarea altermagnetismului al materialelor este aproape sigura. „Nu exista nicio modalitate in natura ca ele sa nu fie”, spune el. El vede efortul de verificare asemanator cu „un experiment care dovedeste ca de doua ori doi este patru”.

Dar pentru Lee, vanatoarea promite alte beneficii: o oportunitate de a explora fenomene complexe emergente care pot duce la aplicatii practice. „Cred ca acesta este punctul de plecare pentru un domeniu complet nou al altermagnetismului”, spune ea. „Sunt fericit sa fac parte din ea.”

Sursa: www.science.org