A kutatók most először azonosították és mérték meg az altermagnetizmust, a mágnesesség egy elméleti szempontból már korábban is elfogadott, de eddig soha meg nem figyelt formáját.

Sokáig mindössze egyfajta mágnesességet ismertünk – ez a ferromágnesesség, amely a hűtőmágnesekben és az iránytűkben figyelhető meg. Ez a felfogás azonban már az 1930-as években megváltozott, amikor Louis Néel felfedezte az antiferromágnesességet, amely a váltakozó elektronpörgéseken (spineken) alapul – ezen esetekben nem jelenik meg külső mágneses mező.

A mágnesesség kutatása szempontjából a következő fontos dátum egészen közeli: 2019-ben a kutatók megmagyarázhatatlan elektromos áramlást figyeltek meg bizonyos antiferromágnesekben, ami egy lehetséges harmadik mágneses típusra, az altermágnesességre utal. Az altermágnes anyagokban a kristályok atomjainak mágneses forgásirányai (spin-jei) úgy rendeződnek el, hogy ez az elrendezés bármilyen szemszögből nézve egyformának tűnik. Ez az egységes elrendezés különbözteti meg őket más mágneses anyagoktól, és magyarázatot nyújt arra a különleges elektromos áramra, amit anomális Hall-effektusként ismerünk – ez egy olyan jelenség, amely során az elektromos áram iránya megváltozik egy külső mágneses mező hatására, még akkor is, ha ez a változás az eredetileg várt iránynak éppen az ellentéte.

Az altermágnesesség azonban sokáig csak elmélet volt – egészen mostanáig. Mint arról ugyanis a New Scientist beszámol, Juraj Krempasky és csapata a svájci Paul Scherrer Intézetben sikeresen megmérte az elektronszerkezetet mangántelluridban, egy korábban antiferromágnesesnek minősített kristályban.

Az altermágnesesség nagy előnye, hogy az előbbi két mágnesesség legjobb tulajdonságait ötvözi: nulla nettó mágnesezettség a hőn áhított erős spin-függő jelenségekkel, amelyek a ferromágnesekben találhatók – ami valami olyasmi, amit eddig alapvetően összeférhetetlennek gondoltak. Mint Tomáš Jungwirth, a Cseh Tudományos Akadémia Fizikai Intézetének munkatársa, a tanulmány vezető kutatója nyilatkozott:

“Ez az altermágnesek varázsa. Valami, amit az emberek lehetetlennek hittek, amíg a közelmúlt elméleti előrejelzései fel nem tárták, az valójában igenis lehetséges.”

Kutatásaik során azt elemezték, hogyan verődik vissza a fény a kristályról, hogy meghatározzák az elektronenergiákat és -sebességet, és felfedjék az egyezést az altermágneses anyagra vonatkozó előzetes számításokkal. Az eredmények alapján az altermágnesekben lévő elektronok két csoportra oszlanak, ami nagyobb mobilitást tesz lehetővé a kristályon belül a kristályszerkezetben lévő nem mágneses tellúratomok által elősegített egyedi forgási szimmetriának köszönhetően. Ez a szerkezet lehetővé teszi a mangán mágneses töltéseinek különálló síkokra történő szétválását. Mint Jungwirth hozzátette:

“Az altermágnesesség valójában nem valami rendkívül bonyolult dolog. Ez egy teljesen alapvető dolog, ami évtizedekig a szemünk előtt volt anélkül, hogy észrevettük volna. És ez nem olyasvalami, ami csak néhány ritka anyagban van jelen. Sok kristályban létezik, amelyeket az emberek egyszerűen a fiókjaikban tartanak. Ebben az értelemben, most, hogy napvilágra hoztuk, világszerte sok ember képes lesz arra, hogy dolgozzon rajta, és lehetőséget adjon a széleskörű felhasználásra.”

Mi lehet ez a felhasználási terület? Richard Evans (York-i Egyetem) és Joseph Barker (Leedsi Egyetem) egyaránt hangsúlyozták az altermágnesekben rejlő lehetőségeket a mágneses alapú tárolás és úgy általában a számítástechnika átalakítása szempontjából. Külső mágneses mezők nélkül ugyanis az altermágnesek sűrűn, interferencia nélkül pakolhatóak egymás mellé, ami jelentős előrelépést ígér a merevlemezek tárolási kapacitásában és a spintronikus eszközök fejlesztésében.

A spintronika, vagy spin-alapú elektronika, egy olyan technológiai terület, amely az elektronok spinjének és töltésének együttes kihasználásával működteti az információ tárolását, átvitelét és feldolgozását. Az elektron spinje tehát egy kvantummechanikai tulajdonság, amely megadja az elektron saját mágneses momentumát, és alapvetően két állapotot vehet fel: “fel” vagy “le”. Míg a hagyományos elektronika az elektronok töltésén alapul, addig a spintronika kihasználja az elektronok spin állapotát is, lehetővé téve így az új típusú elektronikus eszközök fejlesztését.

A spintronikai eszközök előnyei közé tartozik a nagyobb adattárolási sűrűség, alacsonyabb energiafogyasztás és gyorsabb adatfeldolgozás. Ezek az eszközök nem túlzás, hogy forradalmasíthatják a teljes számítástechnikát, például a “spintronic” memória (pl. MRAM, vagy mágneses RAM) lehetővé teszi az adatok gyorsabb elérését és az energiatakarékos tárolását, mivel az információ a hagyományos RAM-mal ellentétben akkor is megmarad, ha nincs áramellátás.

(Kép: Juraj Krempasky, a PSI tudósa és a publikáció első szerzője áll a Svájci Fényforrás SLS-nél, ahol az altermagnetizmus kísérleti bizonyítékát feltárták. Forrás: Paul Scherrer Intézet / Mahir Dzambegovic)