Ne samo sever i jug: Novi materijal se pridružuje trećem tipu magnetizma

Magnetizam pokreće svet: bitan je za proizvodnju električne energije, proizvodnju električnih vozila i napajanje medicinskih tehnologija koje spasavaju živote, poput titanijumskih srca sa levitirajućim rotorima.

Magnetizam se javlja u više varijanti, ali su dve najpoznatije. Kod feromagnetizma, magnetni momenti (sićušna polja) čestica materijala poravnavaju se u određenom pravcu i stvaraju veće magnetno polje – klasična postavka severnog i južnog pola magneta. Međutim, ovo generiše rasejana polja koja mogu ometati računarske čipove i drugu elektroniku.

Preporučujemo

Kod antiferomagnetizma, magnetni momenti su usmereni u suprotnim smerovima i poništavaju se, tako da nema severnog ili južnog pola. Ovo guši rasejana polja, ali i svojstva privlačenja koja (doslovno i figurativno) mogu učiniti materijal korisnim.

Ako bi se moglo spojiti najbolje od oba sveta u nekom višestranom, ali tankom materijalu, to bi se moglo pokazati kao značajno u svetu sve skučenijih elektromagnetnih tehnologija.

Naučnici izveštavaju da su uradili upravo to, postižući prvi eksperimentalni dokaz altermagnetizma – nedavno potvrđenog tipa magnetizma – u materijalu nalik sendviču sa brojnim budućim primenama.

U radu objavljenom u časopisu Nature Communications, fizičari su stvorili kristale materijala pod imenom Co₁/₄TaSe₂. Ovo zvuči veoma nerazumljivo, ali se sastoji od samo tri elementa: kobalta, tantala i selena (i njihovih udela). Kombinovanje na eksperimentalno koristan način zahtevalo je „pečenje” na više od 900 stepeni Celzijusovih tokom dve nedelje.

„Ovi materijali se razlikuju od konvencionalnijih antiferomagneta po svojoj sposobnosti da generišu i detektuju spinske struje bez negativnog efekta proizvodnje rasejanih polja”, kažu naučnici sa Univerziteta Centralne Floride. „Ovo novo svojstvo ih čini veoma dobro pozicioniranim za upotrebu u mnogim različitim primenama – uključujući spintroniku, ultrabrze memorijske uređaje, terahercne mreže i energetski efikasnu elektroniku”.

Materijal Co₁/₄TaSe₂, koji nije nov u nauci, čine slojevi napravljeni od metala tantala i nemetala selena. Između ovih slojeva, istraživači su rasuli atome magnetnog metala kobalta, kako bi stvorili kvantnu strukturu koja može da izmeni elektrone dok prolaze kroz nju.

Radi potvrde altermagnetizma, upotrebljene su metoda kvantnog modeliranja i fotoemisiona spektroskopija ARPES. Ova druga metoda pogađa materijal snopom svetlosti, uzrokujući da izbaci elektron kako bi naučnici mogli da odrede njegovu energiju i njegov smer.

Tako su otkrili strukturu energetskog opsega materijala, mapu mesta gde njegovi elektroni mogu i ne mogu postojati. Pri tome su videli da je struktura razdvojena i da su razdvojena stanja nosila suprotne spinske polarizacije, koje govore kako je spin elementarne čestice okrenut u izvesnom pravcu – pogodno, čestice mogu da imaju spin samo „gore” ili „dole”.

Naravno, elektroni se zapravo ne rotiraju, kao što se Zemlja vrti oko svoje ose. Umesto toga, više se radi o matematički definisanom momentu impulsa. Ipak, to je suštinsko kvantno svojstvo i istraživači su pokazali da materijal Co₁/₄TaSe₂ razdvaja elektrone prema njihovom spinu.

Ovo je bitno u kontekstu dva pomenuta magnetna tipa. Feromagnetizam je dobar u razdvajanju spinova, pošto su njegovi magnetni momenti okrenuti u istom smeru, ali proizvodi rasejana polja. Antiferomagnetizam ne proizvodi rasejana polja, ali nije dobar u razdvajanju spinova, pošto su njegovi magnetni momenti okrenuti u suprotnim smerovima.

Ovaj spoj kvaliteta može učiniti da ovaj lako podesiv materijal bude sjajan medijum za istraživanje magnetnih misterija. „Trenutno se vodi velika rasprava u altermagnetističkoj teoriji o tome kako spin-polarizovana elektronska stanja reaguju sa drugim magnetnim pojavama. Sad imamo materijal koji možemo lako modifikovati da bismo istražili ova nova pitanja”, kažu fizičari.

U praktičnom smislu, dok savremeni hardver može fizički transportovati elektrone radi obrade podataka, spintronika bi mogla manipulisati podacima prenoseći spinska stanja elektrona kroz „struju” – poput talasa publike na stadionu – da bi se povećalo skladištenje podataka uz smanjenje šansi za špijunažu.

Zahvaljujući prilagodljivosti i malim razmerama ovakvih nedavno opisanih slojevitih materijala, naša tehnološka sudbina bi mogla biti sićušna i u obliku sendviča. Zašto da ne? Sendviči nas dosad nisu izneverili.

„Ako se ovaj pristup pokaže kao izvodljiv, slojeviti altermagneti će biti na čelu razvoja elektronike”, kažu autori.

(Telegraf Nauka/Science Daily)