Onderzoekers aan de Universiteit van Tokio in Japan, Cornell en Johns Hopkins Universiteiten in de VS en de Universiteit van Birmingham in Groot-Brittannië hebben groot piëzomagnetisme waargenomen in een antiferromagnetisch materiaal, mangaan-tin (Mn3sn). De vondst zou ervoor kunnen zorgen dat dit materiaal en soortgelijke materialen kunnen worden gebruikt in computergeheugens van de volgende generatie.
Antiferromagnetische materialen zijn om twee belangrijke redenen veelbelovende kandidaten voor toekomstige geheugenapparaten met hoge dichtheid. De eerste is dat elektronenspins (die worden gebruikt als bits of data-eenheden) in antiferromagneten snel omdraaien, bij frequenties in het terahertz-bereik. Deze snelle spin-flips zijn mogelijk omdat spins in antiferromagneten de neiging hebben antiparallel ten opzichte van elkaar uit te lijnen, wat leidt tot sterke interacties tussen de spins. Dit staat in contrast met conventionele ferromagneten, die parallelle elektronenspins hebben.
De tweede reden is dat hoewel antiferromagneten een intern magnetisme hebben dat wordt gecreëerd door de spin van hun elektronen, ze vrijwel geen macroscopische magnetisatie hebben. Dit betekent dat bits dichter op elkaar kunnen worden gepakt, omdat ze elkaar niet hinderen. Dit staat opnieuw in contrast met de ferromagneten die worden gebruikt in conventionele magnetische geheugens, die een aanzienlijke netto magnetisatie genereren.
Onderzoekers gebruiken het goed begrepen Hall-effect (waarbij een aangelegd magnetisch veld een spanning in een geleider induceert in een richting loodrecht op zowel het veld als de stroomstroom) om de waarden van antiferromagnetische bits uit te lezen. Als de spins in het antiferromagnetische bit allemaal in dezelfde richting draaien, verandert de Hall-spanning van teken. Eén teken van de spanning komt daarom overeen met een “spin-up” richting of “1” en het andere teken met een “spin-down” of “0”.
Spanningscontroles tekenen verandering
In het nieuwe werk, een team onder leiding van Satoru Nakatsuji van de Universiteit van Tokyo gebruikte apparatuur ontwikkeld door Clifford Hicks en collega's bij Amsterdam, NL een monster van Mn plaatsen3Sn onder spanning. Mn3Sn is een imperfecte (Weyl) antiferromagneet met een zwakke magnetisatie, en het is bekend dat hij een zeer sterk afwijkend Hall-effect (AHE) vertoont, waarbij ladingsdragers een snelheidscomponent verwerven die loodrecht op een aangelegd elektrisch veld staat, zelfs zonder een aangelegd magnetisch veld.
Gedoteerde antiferromagneten schakelen sneller
De onderzoekers ontdekten dat ze, door het monster in verschillende mate te belasten, zowel de grootte als het teken van de AHE van het materiaal konden controleren. “Sinds de ontdekking van de AHE door Edwin Hall in 1881 is er geen rapport meer gemaakt over de voortdurende afstemming van het AHE-teken op basis van spanning”, vertelt Nakatsuji. Natuurkunde wereld. “Op het eerste gezicht lijkt het erop dat de Hall-geleidbaarheid, een grootheid die vreemd is onder tijdsomkering, niet kan worden gecontroleerd door spanning, wat zelfs onder tijdsomkering het geval is. Ons experiment en onze theorie laten echter duidelijk zien dat een zeer kleine spanning in de orde van 0.1% niet alleen de grootte maar ook het teken van de AHE kan bepalen.”
Belangrijk voor antiferromagnetische spintronica
Het team zegt dat het kunnen beheersen van AHE met behulp van spanning belangrijk zal zijn voor zogenaamde ‘spintronica’-toepassingen waarbij antiferromagnetische materialen betrokken zijn. Sinds de Weyl-semimetaaltoestand van Mn3Sn kan ook elektrisch worden geschakeld, de nieuwe ontdekking maakt het materiaal nog aantrekkelijker voor spintronica, en een aantal groepen over de hele wereld werken er nu aan om het in dunnefilmvorm te fabriceren.
Het huidige werk is gedetailleerd in Natuurfysica.
