Det er ikke let at kontrollere magnetisme på en enhed; Der er behov for usædvanligt store magnetiske felter eller masser af elektricitet, som er voluminøse, langsomme, dyre og/eller affaldsenergi. Men det ser snart ud til at ændre sig takket være den nylige opdagelse af Altermagnets. Nu fremsætter forskere ideer til effektive switches til at styre magnetisme på enheder.
Magnetisme er traditionelt kommet i to sorter: ferromagnetisme og antiferromagnetisme, baseret på justeringen (eller ikke) af magnetiske øjeblikke i et materiale. Tidligt sidste år annoncerede fysikere eksperimentelle beviser for en tredje variation af magnetisme: altermagnetisme, en anden kombination af spins og krystalsymmetrier. Forskere lærer nu, hvordan man indstiller Altermagnets, hvilket bringer videnskab nærmere på praktiske anvendelser.
Vi er alle fortrolige med ferromagnetisme (FM), som en køleskabsmagnet eller kompasnål, hvor magnetiske øjeblikke i atomer stod op parallelt i en krystal. En anden klasse blev tilføjet for omkring hundrede år siden kaldet Antiferromagnetism (AFM), hvor magnetiske øjeblikke i en krystalpligtig regelmæssigt justeres i alternative retninger om forskellige sublattices, så krystallen ikke har nogen nettomagnetisering, men gør normalt ved lave temperaturer.
Altermagnets (AM) er en slags blanding af de to: det krystallinske materiale bestilles, hvor de magnetiske øjeblikke skifter, hvilket resulterer i ingen netmagnetisering. Men spins annullerer ikke blot, som i antiferromagnetisme. I stedet skaber krystalens symmetri en elektronisk båndstruktur med stærke spins, der vender i retning af den dybere en sonder gennem materialets energibånd.
Altermagnets har nogle egenskaber, der ligner ferromagneter, men også nye egenskaber, der ikke har nogen nettomagnetisme, men med stærke spinafhængige effekter. Dette gør Altermagnets potentielt ganske nyttige til spintronics -applikationer – videregiver, hvor elektronspin bruges til at bære information, svarende til, hvordan elektronladning bærer information inden for elektronik.
Altermagnets har været af stor interesse siden deres opdagelse, og nye teoretiske fremskridt har vist, hvordan man opretter en switch til dem, et vigtigt skridt hen imod applikationer i Spintronics. Forskningen, ledet af Tong Zhou fra Eastern Institute of Technology, Ningbo i Kina, udgives i Fysiske gennemgangsbreve.
“Vi har oprettet et materiale, der giver dig mulighed for at kontrollere magnetisme lige så let som at dreje håndtaget på din vandhane,” sagde Zhou. “Forestil dig at have to drejeknapper: Når de er indstillet overfor hinanden, får du en speciel magnetisk strøm; når de er vendt på samme måde, slukker det. Det er så enkelt.”
Altermagnets viser elektroniske båndniveauer, der er opdelt mellem spin-up og spin-down bånd. Denne opdeling kan bruges til at polarisere en elektrisk strøm, da den ene spin -tilstand lettere vil flyde gennem materialet end det andet. Dette indebærer, at hurtigere spintronics -applikationer er mulige, der fungerer med større effektivitet end nuværende spintronics -enheder.
Det, der stadig er nødvendigt, er en måde at ændre spinegenskaberne for en altermagnet.
Forskere går nu ind for at bruge elektriske felter til at foretage denne skifte. Til dette har elektriske felter en fordel, da de er mere tilgængelige for at kontrollere magnetiske enheder end magnetiske felter – lettere at manipulere og implementere. De ville også være meget hurtigere, potentielt i under-nanosekundområdet og bruge mindre energi.
Et forslag udgivet af Zhou’s gruppe kan kaldes en “antiferroelektrisk altermagnet” (AFEAM). På samme måde som et antiferromagnet består en antiferroelektrisk (AFE) materiale af atomstrukturer, hvis elektriske dipoler er rettet i modsatte retninger.
Gruppen antog et materiale, hvor de elektriske dipoler er koblet til magnetiske spins, således at befolkningen i spin-up-sublattices er knyttet til spin-down-sublattices gennem rotationssymmetri. Et sådant materiale ville have både antiferroelektriske og altermagnetiske egenskaber.
Et lille påført elektrisk felt får de elektriske dipoler til at stille op i samme retning og omdanne materialet til en ferroelektrisk (Fe) krystal. I en ferroelektrisk tilstand (igen, dipoler justeret), ville det ikke længere være en altermagnet, men ville være en antiferromagnet (magnetiske øjeblikke, der ikke er tilpasset). Derefter ville det ikke polarisere en elektronisk strøm. Det elektriske felt skifter spin -polarisering til eller fra.
“Kontrol af magnetisme betyder, at fremtidige gadgets som hukommelseslagring og computere kan blive meget hurtigere, bruge mindre energi og vare længere på batterikraft,” sagde Zhou.
En anden gruppe og en ensom forsker har også foreslået teknologier, der også bruger elektriske felter til magnetisk switching.
En gruppe ledet af Qihang Liu fra det sydlige University of Science and Technology i Shenzhen, Kina og forsker Libor Šmejkal fra Max Planck Institute for Physics of Complex Systems i Tyskland foreslår også en ferroelektrisk switchable altermagnet, hvor en påført elektrisk felt interagerer med deformationsmodes i krystalen for at kontrollere tegn på ændringen af ændringen af ændringen.
For Liu og kolleger er deformationen Jahn-Teller-forvrængningen, en vekslende sammentrækning og forlængelse af specifikke bindinger. For Šmejkals forslag kommer deformationen fra rotationer af sublattice -enheder inden for det materiale, der, når det aktiveres elektrisk, vender den ferroelektriske polarisering af systemet, et fænomen kaldet altermagnetoelektrisk effekt.
“Det er sjældent at bringe to store ideer – antiferroelektricitet og altermagnetisme – sammen i et materiale og få dem til at arbejde i harmoni. Det er det, der gør denne opdagelse så speciel,” sagde Zhou.
“Ærligt talt føles det som om vi har afsløret en skjult switch inde i materialer-et, der lader os skifte spin-adfærd uden nogensinde at røre ved den magnetiske struktur. Det er en spiludveksler.”