Forskere ved University of Tokyo i Japan, Cornell og Johns Hopkins Universiteter i USA og University of Birmingham i Storbritannien har observeret stor piezomagnetisme i et antiferromagnetisk materiale, mangan-tin (Mn)3Sn). Fundet kunne gøre det muligt for dette materiale og andre lignende det at blive brugt i næste generations computerhukommelser.
Antiferromagnetiske materialer er lovende kandidater til fremtidige hukommelsesenheder med høj tæthed af to hovedårsager. Den første er, at elektronspin (som bruges som bits eller dataenheder) i antiferromagneter vender hurtigt ved frekvenser i terahertz-området. Disse hurtige spin flips er mulige, fordi spins i antiferromagneter har tendens til at justere antiparallelt med hinanden, hvilket fører til stærke interaktioner mellem spins. Dette står i kontrast til konventionelle ferromagneter, som har parallelle elektronspin.
Den anden grund er, at mens antiferromagneter har en intern magnetisme skabt af deres elektroners spin, har de næsten ingen makroskopisk magnetisering. Det betyder, at bits kan pakkes tættere ind, da de ikke forstyrrer hinanden. Igen står dette i kontrast til de ferromagneter, der anvendes i konventionel magnetisk hukommelse, som genererer betydelig nettomagnetisering.
Forskere bruger den velforståede Hall-effekt (hvor et påført magnetfelt inducerer en spænding i en leder i en retning vinkelret på både feltet og strømstrømmen) til at udlæse værdierne af antiferromagnetiske bits. Hvis spindene i den antiferromagnetiske bit alle vender i samme retning, skifter Hall-spændingen fortegn. Det ene tegn på spændingen svarer derfor til en "spin op" retning eller "1" og det andet tegn til en "spin ned" eller "0".
Strain kontrollerer tegnskifte
I det nye arbejde har et team ledet af Satoru Nakatsuji af University of Tokyo brugt udstyr udviklet af Clifford Hicks og kollegaer kl Birmingham at placere en prøve af Mn3Sn under belastning. Mn3Sn er en ufuldkommen (Weyl) antiferromagnet med en svag magnetisering, og den er kendt for at vise en meget stærk anomal Hall-effekt (AHE), hvor ladningsbærere opnår en hastighedskomponent vinkelret på et påført elektrisk felt, selv uden et påført magnetfelt.
Doterede antiferromagneter skifter hurtigere
Forskerne fandt ud af, at ved at placere forskellige grader af belastning på prøven, kunne de kontrollere både størrelsen og tegnet på materialets AHE. "Siden opdagelsen af AHE af Edwin Hall i 1881, er der ikke lavet nogen rapport om den kontinuerlige tuning af AHE-tegnet ved belastning," fortæller Nakatsuji Fysik verden. "Ved første øjekast kan det se ud til, at Hall-konduktiviteten, en størrelse, der er ulige under tidsvending, ikke kan kontrolleres af belastning, som er lige under tidsvending. Vores eksperiment og teori viser dog tydeligt, at en meget lille belastning i størrelsesordenen 0.1 % kan kontrollere ikke kun størrelsen, men også tegnet på AHE."
Vigtigt for antiferromagnetisk spintronik
Holdet siger, at det at være i stand til at kontrollere AHE ved hjælp af belastning vil være vigtigt for såkaldte "spintronics"-applikationer, der involverer antiferromagnetiske materialer. Siden Weyl semimetalliske tilstand Mn3Sn kan også kobles elektrisk, den nye opdagelse gør materialet endnu mere attraktivt for spintronics, og en række grupper rundt om i verden arbejder nu på at fremstille det i tyndfilmsform.
Nærværende arbejde er detaljeret i Naturfysik.
