Altermagnetizmas: nauja magnetinių technologijų era

Kaip atsimename, magnetizmas — fizikinis reiškinys, susijęs su atomų magnetiniu momentu ir spontanišku jų susirikiavimu kristalinėje gardelėje. Dažniausiai kalbama apie feromagnetizmą ir antiferomagnetizmą*. Feromagnetikai — geležis (Fe), nikelis (Ni), kobaltas (Co) — išlieka įmagnetinti netgi be išorinio magnetinio lauko. Feromagnetinėse medžiagose visi atomų magnetiniai momentai orientuoti viena kryptimi. Antiferomagnetikai — mangano oksidas (MnO), geležies oksidas (Fe₂O₃), chromas (Cr) — pasižymi tuo, kad jų magnetiniai momentai vienas kitą „slopina“, nes nukreipti vienas prieš kitą. Jokio magnetinio lauko jie nekuria ir išorinio magnetizmo nekuria.

* 1848 metais Maiklas Faradėjus padalijo visas medžiagas į feromagnetines, diamagnetines (bismutas, cinkas, varis, auksas, sidabras), paramagnetines (aliuminis, platina), speromagnetines (asperomagnetikai) ir ferimagnetines (miktomagnetikai).

Pirmuosius dar vieno magnetinio reiškinio požymius fizikai užfiksavo 2020 metais, o 2022 metais įvedė „altermagnetizmo“ terminą. 2023–2024 metais mokslininkai jo egzistavimą patvirtino. Pirmoji buvo tarptautinė mokslininkų grupė iš Čechijos ir Šveicarijos, kuri pasinaudojo fotoemisinės elektroninės mikroskopijos (PEEM) metodika ir pirmą kartą vizualizavo magnetinius domenus ir altermagnetinės medžiagos — mangano telūrido* (MnTe) — struktūrą. Medžiagos paviršiuje cirkuliavo lig tol prognozuoti magnetiniai sūkuriai. Tuo tarpu pats mangano telūridas visda laikytas antiferomagnetiku. Tai yra, magnetinis verpetas užfiksuotas medžiagoje, lig tol ne niekuomet magnetinių savybių neparodžiusioje.

 

* Be mangano telūrido, tiriamos ir kitos potencialiai altermagnetinės medžiagos, tokios, kaip rutenio oksidas (RuO₂), chromo stibatas (CrSb), o taip pat junginiai iš pereinamųjų metalų ir retųjų žemių elementų.

Paskui Nottinghamo universiteto fizikos ir astronomijos mokyklos tyrėjai atliko kontroliuojamo altermagnetikų magnetinių savybių keitimo eksperimentus. Savo matavimus jie irgi atliko tuo pačiu PEEM metodu Šveicarijos laboratorijos MAX IV sinchrotronu.

Jiems pavyko sukurti stabilias magnetines struktūras, tinkamas naudoti tokiuose sinchrotroniniuose įrenginiuose, kaip MRAM ir loginiai elementai.

Ką visa tai reiškia?

Altermagnetikai užima tarpinę padėtį tarp feromagnetikų ir antiferomagnetikų. Juose atomų magnetiniai momentai, kaip ir antiferomagnetikuose, nukreiptos vienas kito atžvilgiu antiparaleliai, tačiau struktūra šiek tiek susukta, kas jiems suteikia savybes, analogiškas feromagnetinėms medžiagoms.

Jų makroskopinis magnetinis momentas nulinis, kaip antiferomagnetikų, tačiau išlaiko nuo sukinio priklausantį laidumą, kaip feromagnetikai. Jie taip pat atsparūs išoriniams magnetiniams laukams, dėl ko jie patikimiau saugo duomenis.

Perspektyvos

Altermagnetizmas gali tapti esminiu spintronikos* plėtros elementu, nes gali užtikrinti didesnį saugojimo tankį ir veikimo greitį. Lyginant su tradicine elektronika, spintroniniai prietaisai efektyvesni, veikia greičiau ir ilgaamžiškesni, dėl to jie perspektyvūs naudoti kvantiniuose skaičiavimuose, dirbtinio intelekto ir komunikacijų technologijose.

* Spintronika — mokslo ir technologijų sritis, tirianti elektrono sukinį (papildomai prie krūvio) informacijai saugoti, apdoroti ir perduoti. Kitaip, nei tradicinė elektronika, kuri paremta tik krūvį turinčių dalelių (elektronų) judėjimu, spintronika naudoja vidinę kvantinę elektrono charakterisiką — jo sukinio būseną, kuri gali būti nukreipta „aukštyn“ arba „žemyn“, yra analogiška dvejetainė sistema (0 ir 1).

O dar altermagnetinės medžiagos gali tapti svarbiu atsparių išorės veiksniams kubitų komponentu, kas taps svarbiu žingsniu link visaverčių kvantinių kompiuterių.

Tad altermagnetikų atradimą galima palyginti su puslaidininkių atradimu. Panašiai, kaip puslaidininkiai pakeitė skaičiavimo sistemų ir ryšio technologijų veikimo principus, pakloję šiuolaikinės elektronikos pagrindus, altermagnetizmas gali pakeisti magnetinių medžiagų ir duomenų saugojimo prietaisų vystymą. „Altermagnetikai gali tūkstanteriopai paspartinti mikrolelektronikos komponentų veikimą ir skaitmeninę atmintį ir tuo pat metu jie bus atsparesni ir efektyviau naudos energiją“, — užtikrintai pareiškė britų tyrimo bendraautorius Peteris Wadley'is iš Nottinghamo universiteto.

republic.ru