Experiment priniesol dôkaz, že telurid manganatý patrí do novej, altermagnetickej vetvy magnetických materiálov. Boli pri ňom aj českí vedci.
V altermagnetoch na susedných magnetických atómoch alternujú nielen smery spinovej polarizácie (znázornené fialovou a modrou farbou), ale aj samotné tvary atómu (znázornené naklonením činkovito tvarovaných elektrónových hustôt do dvoch rôznych smerov). Modrý lúč znázorňuje fotoemisný experiment na synchrotróne, ktorý bol použitý na preukázanie altermagnetizmu. Zdroj: AV ČR, autori: Libor Šmejkal, Anna Birk Hellenes
Medzinárodný tím vedcov borí v článku, publikovanom v časopise Nature, tradičnú predstavu o delení magnetizmu na dve vetvy – niekoľko tisícročí známu feromagnetickú a antiferomagnetickú, objavenú približne pred sto rokmi. Výskumníkom sa teraz podarilo experimentálne preukázať tretiu, altermagnetickú vetvu. Teoreticky ju predpovedali vedci z Prahy a Mainzu už pred niekoľkými rokmi.
Pod pojmom magnet si zvyčajne predstavíme feromagnet, ktorý má silné magnetické pole, vďaka ktorému udrží nákupný zoznam na chladničke alebo umožní funkciu elektromotora v elektromobile. Magnetické pole feromagnetu vzniká, keď je magnetické pole miliónov jeho atómov zladené v rovnakom smere. Toto magnetické pole možno využiť aj na moduláciu elektrického prúdu v súčiastkach informačných technológií.
Obmedzenie doteraz známych magnetických vetiev pre IT
Feromagnetické pole však zároveň predstavuje vážne obmedzenie priestorovej a časovej škálovateľnosti súčiastok. Významná pozornosť výskumu posledných rokov sa tak upriamila na druhú, antiferomagnetickú vetvu. Antiferomagnety sú menej známe, ale v prírode oveľa bežnejšie materiály, v ktorých sa smery atómových magnetických polí na susedných atómoch striedajú podobne ako biela a čierna farba na šachovnici. Antiferomagnety teda ako celok nevytvárajú nežiaduce magnetická polia, ale, žiaľ, sú natoľko antimagnetické, že zatiaľ nenašli uplatnenie v oblasti informačných technológií.
Altermagnety kombinujú nezlučiteľné prednosti
„Nedávno predpovedané altermagnety kombinujú prednosti feromagnetov a antiferomagnetov, ktoré sa považovali za principiálne nezlučiteľné, a navyše majú aj ďalšie jedinečné prednosti, ktoré sa v ostatných vetvách nevyskytujú,“ povedal Tomáš Jungwirth z Fyzikálneho ústavu Akadémie vied ČR.
Altermagnety si môžeme predstaviť ako magnetické usporiadanie, kde sa striedajú nielen smery magnetických polí na susedných atómoch, ale zároveň sa strieda priestorová orientácia atómov v kryštáli. Napriek tomu vnútorné magnetické polia modulujú elektrický prúd obdobne ako pri feromagnetoch. Táto kombinácia vlastností je potenciálne veľmi atraktívna práve pre aplikácie v budúcej ultraškálovateľnej nanoelektronike.
Vedci identifikovali viac ako 200 materiálových kandidátov na altermagnetizmus s vlastnosťami pokrývajúcimi izolanty, polovodiče, kovy a dokonca supravodiče. Výskumné skupiny mnohé z týchto materiálov v minulosti skúmali, ich altermagnetická povaha im však zostala ukrytá.
Teoretici predpovedali altermagnetickú vetvu pred piatimi rokmi
Od roku 2019 tím z Fyzikálneho ústavu AV ČR v Prahe a Gutenbergovej univerzity v Mainzi zverejnil sériu článkov, v ktorých teoreticky identifikoval nekonvenčné magnetické materiály. V roku 2021 teoretici predpovedali, že tieto materiály, ktoré označili za altermagnety, tvoria tretí fundamentálny typ magnetu. Ich kryštálová a magnetická štruktúra je celkom odlišná od konvenčných feromagnetov a antiferomagnetov (slovami fyzikov, altermagnety majú celkom iné symetrie než feromagnety alebo antiferomagnety).
Vzhľadom na to, že altermagnetizmus otvára široké a nebývalé možnosti výskumu a využitia, po teoretickej predpovedi prišla takmer okamžite vlna následných štúdií výskumných skupín z celého sveta. Bolo teda už len otázkou času, kedy sa podarí priniesť prvé priame experimentálne dôkazy.
Dôkazy na klasickom antiferomagnete
Medzinárodný tím teraz takéto dôkazy prináša v štúdii publikovanej v časopise Nature. Vedci preskúmali kryštály jednoduchého dvojprvkového altermagnetického kandidáta – teluridu manganatého (MnTe). Tradične bol tento materiál považovaný za jeden z klasických antiferomagnetov, pretože magnetické polia na susedných atómoch mangánu mieria opačne, a tak okolo materiálu nevytvárajú vonkajšie magnetické pole.
V časopise Nature teraz vedci po prvý raz priamo preukázali altermagnetizmus v MnTe. Vedci využili teoretické predpovede, aby mohli navigovať, akým smerom si majú vo fotoemisnom experimente posvietiť na vysokokvalitné kryštály MnTe.
Tím na synchrotróne nameral pásové štruktúry (mapy, ktoré fyzici používajú na opis vlastností elektrónov v kryštáloch), pomocou ktorých bol schopný dokázať, že napriek absencii vonkajšieho magnetického poľa sú elektronické stavy v MnTe silne spinovo rozštiepené. Škála a tvar spinového štiepenia presne zodpovedá predpovedanému altermagnetickému štiepeniu pomocou kvantovo mechanických výpočtov. To je priamy dôkaz, že MnTe nie je ani konvenčný antiferomagnet, ani konvenčný feromagnet, ale patrí do novej, altermagnetickej vetvy magnetických materiálov.
Štúdia využila expertízu vedcov Fyzikálneho ústavu AV ČR v spolupráci s vedcami zo Západočeskej univerzity v Plzni, z Univerzity Karlovej, Inštitútu Paula Scherrera vo Švajčiarsku, Gutenbergovej univerzity v Mainzi v Nemecku, Univerzity Johannesa Keplera v Linzi v Rakúsku a Univerzity v Nottinghame v Spojenom kráľovstve.
Nové smery svetového výskumu
„Po prvých predpovediach a s rýchlo rastúcim celosvetovým záujmom o altermagnetizmus a zároveň vzhľadom na to, že mnoho teoreticky identifikovaných kandidátov na materiály bolo dobre známych a široko dostupných, sme vedeli, že je len otázkou času, kedy budú realizované prvé priame experimentálne dôkazy. Sme radi, že sme mohli byť súčasťou i koordinátorom tejto úvodnej práce, ktorú sme uskutočnili spolu s kolegami z českých, zo švajčiarskych, z rakúskych, nemeckých a britských laboratórií,“ vyslovil Tomáš Jungwirth z Fyzikálneho ústavu AV ČR a dodal: „Objav altermagnetizmu naštartoval nové smery svetového výskumu v oblasti nových fyzikálnych a materiálových princípov vysoko škálovateľných a energeticky úsporných IT súčiastok.“ Objav altermagnetizmu v MnTe je teda začiatok nového smeru v magnetizme.
Zdroj: TS AV ČR
(zh)
