Forskare vid University of Tokyo i Japan, Cornell och Johns Hopkins University i USA och University of Birmingham i Storbritannien har observerat stor piezomagnetism i ett antiferromagnetiskt material, mangan-tenn (Mn)3Sn). Upptäckten kan göra det möjligt för detta material och andra liknande det att användas i nästa generations datorminnen.
Antiferromagnetiska material är lovande kandidater för framtida högdensitetsminnen av två huvudskäl. Den första är att elektronspinn (som används som bitar eller dataenheter) i antiferromagneter vänder snabbt, vid frekvenser i terahertzområdet. Dessa snabba snurrvändningar är möjliga eftersom snurr i antiferromagneter tenderar att riktas antiparallellt med varandra, vilket leder till starka interaktioner mellan snurren. Detta står i kontrast till konventionella ferromagneter, som har parallella elektronspin.
Det andra skälet är att medan antiferromagneter har en intern magnetism som skapas av deras elektroners spinn, har de nästan ingen makroskopisk magnetisering. Det gör att bitar kan packas tätare då de inte stör varandra. Återigen, detta står i kontrast till de ferromagneter som används i konventionella magnetiska minne, som genererar betydande nettomagnetisering.
Forskare använder den välkända Hall-effekten (där ett applicerat magnetfält inducerar en spänning i en ledare i en riktning vinkelrät mot både fältet och strömflödet) för att läsa ut värdena på antiferromagnetiska bitar. Om snurren i den antiferromagnetiska biten alla vänder i samma riktning, ändrar Hall-spänningen tecken. Det ena tecknet på spänningen motsvarar därför en "spin up"-riktning eller "1" och det andra tecknet mot en "spin down" eller "0".
Stam kontrollerar teckenbyte
I det nya arbetet har ett team ledd av Satoru Nakatsuji av University of Tokyo begagnad utrustning utvecklad av Clifford Hicks och kollegor på birmingham att placera ett prov av Mn3Sn under ansträngning. Mn3Sn är en imperfekt (Weyl) antiferromagnet med svag magnetisering, och den är känd för att uppvisa en mycket stark anomal Hall-effekt (AHE), där laddningsbärare får en hastighetskomponent vinkelrät mot ett pålagt elektriskt fält även utan pålagt magnetfält.
Dopade antiferromagneter byter snabbare
Forskarna fann att de, genom att placera olika grader av belastning på provet, kunde kontrollera både storleken och tecknet på materialets AHE. "Sedan upptäckten av AHE av Edwin Hall 1881 har ingen rapport gjorts om den kontinuerliga inställningen av AHE-tecknet för stam," säger Nakatsuji Fysikvärlden. "Vid första anblicken kan det verka som att Hall-konduktiviteten, en storhet som är udda under tidsreversering, inte kan kontrolleras av töjning, som är jämn under tidsreversering. Vårt experiment och vår teori visar dock tydligt att en mycket liten stam i storleksordningen 0.1 % kan kontrollera inte bara storleken utan också tecknet på AHE.
Viktigt för antiferromagnetisk spintronik
Teamet säger att det kommer att vara viktigt att kunna kontrollera AHE med hjälp av töjning för så kallade "spintronics"-applikationer som involverar antiferromagnetiska material. Sedan Weyl-halvmetalltillståndet Mn3Sn kan också kopplas elektriskt, den nya upptäckten gör materialet ännu mer attraktivt för spintronik, och ett antal grupper runt om i världen arbetar nu med att tillverka det i tunnfilmsform.
Det aktuella arbetet är detaljerat i Naturfysik.
