W antyferromagnetyku pojawia się duży piezomagnetyzm

Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego w Japonii, uniwersytetów Cornell i Johns Hopkins w USA oraz Uniwersytetu w Birmingham w Wielkiej Brytanii zaobserwowali duży piezomagnetyzm w materiale antyferromagnetycznym, mangan-cyna (Mn₃Śn). Odkrycie może pozwolić na wykorzystanie tego i podobnych materiałów w pamięciach komputerowych nowej generacji.

Materiały antyferromagnetyczne są obiecującymi kandydatami na przyszłe urządzenia pamięciowe o dużej gęstości z dwóch głównych powodów. Po pierwsze, spiny elektronów (które są używane jako bity lub jednostki danych) w antyferromagnesach obracają się szybko, przy częstotliwościach rzędu teraherców. Te szybkie odwrócenia spinów są możliwe, ponieważ spiny w antyferromagnesach mają tendencję do ustawiania się względem siebie antyrównolegle, co prowadzi do silnych interakcji między spinami. Kontrastuje to z konwencjonalnymi ferromagnesami, które mają równoległe spiny elektronów.

Drugim powodem jest to, że chociaż antyferromagnesy mają wewnętrzny magnetyzm tworzony przez spin ich elektronów, prawie nie mają makroskopowego namagnesowania. Oznacza to, że bity mogą być upakowane gęściej, ponieważ nie kolidują ze sobą. Ponownie kontrastuje to z ferromagnesami stosowanymi w konwencjonalnych pamięciach magnetycznych, które generują spore namagnesowanie netto.

Naukowcy wykorzystują dobrze poznany efekt Halla (w którym przyłożone pole magnetyczne indukuje napięcie w przewodniku w kierunku prostopadłym zarówno do pola, jak i do przepływu prądu) do odczytywania wartości bitów antyferromagnetycznych. Jeśli wszystkie spiny w bicie antyferromagnetycznym obracają się w tym samym kierunku, znak zmiany napięcia Halla. Dlatego jeden znak napięcia odpowiada kierunkowi „rozkręcania” lub „1”, a drugi znak „rozkręcania” lub „0”.

Zmiana znaku kontroli szczepu

W nowej pracy zespół kierowany przez Satoru Nakatsuji ukończenia University of Tokio używany sprzęt opracowany przez Clifforda Hicksa i koledzy z Birmingham umieścić próbkę Mn₃Sn pod napięciem. Mn₃Sn jest niedoskonałym (Weyl) antyferromagnesem o słabym namagnesowaniu i wiadomo, że wykazuje bardzo silny anomalny efekt Halla (AHE), w którym nośniki ładunku uzyskują składową prędkości prostopadłą do przyłożonego pola elektrycznego, nawet bez przyłożonego pola magnetycznego.

Naukowcy odkryli, że przykładając różne stopnie naprężenia do próbki, mogli kontrolować zarówno wielkość, jak i znak AHE materiału. „Od czasu odkrycia AHE przez Edwina Halla w 1881 r. nie sporządzono żadnego raportu na temat ciągłego dostrajania znaku AHE przez odkształcenie”, mówi Nakatsuji Świat Fizyki. „Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że przewodnictwo Halla, wielkość, która jest nieparzysta w odwróceniu czasu, nie może być kontrolowane przez odkształcenie, które jest nawet w przypadku odwrócenia czasu. Jednak nasz eksperyment i teoria wyraźnie pokazują, że bardzo małe odkształcenie rzędu 0.1% może kontrolować nie tylko rozmiar, ale także znak AHE”.

Ważne dla spintroniki antyferromagnetycznej

Zespół twierdzi, że możliwość kontrolowania AHE za pomocą naprężenia będzie ważna dla tak zwanych zastosowań „spintroniki” obejmujących materiały antyferromagnetyczne. Ponieważ półmetaliczny stan Weyla Mn₃Sn można również przełączać elektrycznie, nowe odkrycie sprawia, że ​​materiał jest jeszcze bardziej atrakcyjny dla spintroniki, a wiele grup na całym świecie pracuje obecnie nad wytworzeniem go w postaci cienkowarstwowej.

Niniejsza praca jest szczegółowo opisana w: Fizyka przyrody.