Przesuwanie granic tego, jak postrzegamy zachowanie magnetyczne w maleńkich strukturach i zarządzamy nimi, jest kluczem do rozwoju przyszłych technologii, szczególnie w elektronice wykorzystującej spin cząstek — właściwość związaną z mechaniką kwantową, która wpływa na zachowanie magnetyczne. Nowe badania skupiają się na właściwości magnetycznej zwanej altermagnetyzmem – niedawno zidentyfikowanym rodzajem magnetyzmu, który nie zachowuje się jak tradycyjne magnesy. W przeciwieństwie do zwykłych magnesów, altermagnesy nie wytwarzają ogólnego pola magnetycznego, ale nadal zachowują się w sposób łamiący zwykłe zasady symetrii czasu. Oznacza to, że ich wewnętrzne właściwości zmieniają się, jeśli kierunek czasu zostanie odwrócony. To rzadkie połączenie funkcji pozwala na nowe zastosowania w elektronice, gdzie ważne jest unikanie zakłóceń magnetycznych. Wcześniej naukowcy mogli wykryć te zachowania jedynie poprzez uśrednianie sygnałów na dużych obszarach. Teraz po raz pierwszy udało im się je zobaczyć i wpłynąć na nie w niewiarygodnie małej skali.

Kierując tymi pracami badacze dr Oliver Amin, profesor Peter Wadley i ich zespół z Uniwersytetu w Nottingham współpracowali z partnerami z całego świata, aby pokazać, jak te wzory magnetyczne pojawiają się w materiale zwanym tellurkiem manganu – krysztale zbudowanym z atomów manganu i telluru. Ich prace pojawiają się w Nature. Zastosowali specjalne typy technik rentgenowskich, które w różny sposób reagują na kierunki magnetyczne, znane jako magnetyczny dichroizm kołowy i magnetyczny dichroizm liniowy. Techniki te podkreślają różne zachowania magnetyczne w zależności od polaryzacji światła. Łącząc te metody z potężnymi mikroskopami, stworzyli kolorowe mapy pokazujące, w jaki sposób rozmieszczone są wewnętrzne kierunki magnetyczne. Obrazy te ujawniły wirujące wzory, granice między różnymi obszarami i gładkie obszary, gdzie wszystko wskazywało w tym samym kierunku.

Pracując dr Amina i profesora Wadleya nad bardzo cienkimi warstwami tellurku manganu, odkryli wiele typów wzorów magnetycznych. Udało im się ukształtować te wzory, pocinając materiał na małe kształty i dostosowując temperaturę, stosując pola magnetyczne. W maleńkich sześciokątach i trójkątach stworzyli wirujące wzory i sparowane wiry, które utworzyły się naturalnie. Wzory te nie wykazywały przyciągania magnetycznego z zewnątrz, co dowodziło ich szczególnego charakteru i przydatności w urządzeniach, które muszą unikać zakłóceń ze strony magnesów.

Szczególnie użytecznym rezultatem była możliwość wyboru kierunku, w którym skierowane są wewnętrzne kierunki, po prostu poprzez chłodzenie materiału w łagodnym polu magnetycznym. To pozwoliło im utworzyć gładkie, stabilne obszary o szerokości mniej więcej ludzkiego włosa. W jednym przykładzie sześcioboczny kształt mógł zmieniać swój wzór w zależności od kierunku pola stosowanego podczas chłodzenia. Możliwość tego pokazuje, jak przydatne mogą być materiały altermagnetyczne w przypadku pamięci lub urządzeń komputerowych, które można dostosowywać na żądanie.

„Bezpośrednio eksperymentalnie ustalamy, że wektor porządku, który opisuje kierunek i charakter wewnętrznej struktury magnetycznej, obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara o 360 stopni wokół pierwszej nanotekstury wiru” – wyjaśnił dr Amin, odnosząc się do obserwowanego pola wektorowego w tellurku manganu. W innym przykładzie, jak zauważył profesor Wadley, „wymagane jest wówczas utworzenie pary antywirów w środku sześciokąta, aby rozłożyć całkowity kąt nawinięcia wektora rzędu na 720 stopni”. Odkrycia te stanowią pierwszą wyraźną i szczegółową wizualizację kierunkową tekstur altermagnetycznych.

Obserwowanie i dostosowywanie tych specjalnych wzorów magnetycznych może być ważne nie tylko dla fizyki. Zespół wskazuje, że te wzorce są stabilne i mogą działać szybko i wydajnie, co czyni je obiecującymi dla przyszłej pamięci komputerów i systemów inspirowanych działaniem mózgu – znanych jako przetwarzanie neuromorficzne. Ponieważ altermagnesy mogą również współpracować z materiałami, które nie przewodzą prądu, takimi jak izolatory, lub z materiałami o nietypowym przepływie elektronów, takimi jak materiały topologiczne, mogą dobrze pasować do nowych rodzajów urządzeń elektronicznych.

Badania te, ustanawiając solidne podstawy, otwierają drzwi do dalszych badań tego niezwykłego typu magnetyzmu. Pokazuje także, jak przydatne jest łączenie potężnych narzędzi do obrazowania z małymi, produkowanymi strukturami i prostymi polami magnetycznymi. W miarę wzrostu zainteresowania znalezieniem nowych typów zachowań magnetycznych, które pozwalają uniknąć problemów występujących w tradycyjnych magnesach, niniejsza praca podkreśla możliwości zarówno nauki, jak i technologii.

Odniesienie do czasopisma

Amin OJ, Dann A., Golias E. i in. „Obrazowanie w skali nano i kontrola Always in MnT”. Przyroda, 2024; 636: 348-353. DWA: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08234-x

O Autorach

Doktor Oliver Amin jest fizykiem specjalizującym się w magnetyzmie i materiałach w nanoskali. Pracuje na Uniwersytecie w Nottingham i koncentruje się na badaniu pojawiających się stanów magnetycznych w kryształach i cienkich warstwach. Jego badania łączą najnowocześniejsze narzędzia do obrazowania i techniki nanofabrykacji w celu badania porządku magnetycznego w niezwykle małych skalach. Jako jeden z głównych badaczy niedawnego badania nad altermagnetyzmem tellurku manganu, dr Amin przyczynił się do lepszego zrozumienia zachowań magnetycznych, które nie podlegają konwencjonalnym zasadom. Szczególnie interesują go materiały, które oferują nowe możliwości szybkich i wydajnych technologii obliczeniowych.

Profesor Peter Wadley jest wiodącym ekspertem w dziedzinie materiałów magnetycznych i spintroniki na Uniwersytecie w Nottingham. Jego praca koncentruje się na zrozumieniu, jak magnetyzm działa w materiałach pozbawionych tradycyjnych pól magnetycznych, ale nadal wykazujących przydatne zachowanie elektroniczne. Mając doświadczenie w fizyce materii skondensowanej, profesor Wadley jest pionierem kilku technik kontrolowania i wizualizacji magnetyzmu w nanoskali. Jego badania mają na celu połączenie nauk podstawowych z zastosowaniami w świecie rzeczywistym w elektronice nowej generacji.