גביש אלטרמגנטי: לא רק כיווני קיטוב הספין (במגנטה ובציאן) מתחלפים על אטומים מגנטיים שכנים, אלא גם הצורות האטומיות עצמן – כפי שמוצג על ידי הטיית צפיפות האלקטרונים בצורת משקולת לשני כיוונים שונים. קו הקרן הכחול ממחיש את ניסוי פליטת הפוטו על סינכרוטרון ששימש להדגמת אלטרמגנטיות. קרדיט: Libor Šmejkal und Anna Birk Hellenes / JGU
הענף השלישי של המגנטיות הוכח בניסוי במנגן טלורידי, ופתח הזדמנויות לכיווני מחקר חדשים.
מחקר שפורסם לאחרונה ב טֶבַע מגלה כי צוות בינלאומי של מדענים קרא תיגר על החלוקה המקובלת של מגנטיות לשני סוגים: פרומגנטיות, הידועה במשך אלפי שנים, ואנטי-פרומגנטיות, שזוהתה לפני כמאה שנה. החוקרים הוכיחו כעת בהצלחה, באמצעות ניסויים ישירים, סוג שלישי של מגנטיות – אלטרמגנטיות – אשר נחזה תיאורטית על ידי מדענים מאוניברסיטת יוהנס גוטנברג מאוניברסיטת מיינץ ומהאקדמיה הצ'כית למדעים בפראג מספר שנים קודם לכן.
מגבלות של הענפים המגנטיים הידועים בעבר לטכנולוגיות מידע
בדרך כלל אנו חושבים על מגנט כעל פרומגנט, בעל שדה מגנטי חזק השומר על רשימת קניות על דלת המקרר או מאפשר תפקוד של מנוע חשמלי במכונית חשמלית. השדה המגנטי של פרומגנט נוצר כאשר השדה המגנטי של מיליוני האטומים שלו מיושר לאותו כיוון. שדה מגנטי זה יכול לשמש גם כדי לווסת את הזרם החשמלי ברכיבי טכנולוגיית מידע (IT).
יחד עם זאת, השדה הפרומגנטי מהווה מגבלה רצינית למידת המדרגיות המרחבית והזמנית של הרכיבים. לפיכך, התמקדות מחקרית משמעותית בשנים האחרונות הייתה בענף השני, האנטי-פרומגנטי של מגנטים. אנטי-פרומגנטים הם חומרים פחות מוכרים אך נפוצים הרבה יותר בטבע, כאשר כיווני השדות המגנטיים האטומיים על אטומים סמוכים מתנודדים כמו צבעים לבנים ושחורים על לוח שחמט. לפיכך, אנטי-פרומגנטים ככלל אינם יוצרים שדות מגנטיים בלתי רצויים, אך למרבה הצער, הם כה אנטי-מגנטיים, עד שעדיין לא מצאו יישומים פעילים בטכנולוגיית המידע.
אלטרמגנטים משלבים יתרונות "לא תואמים".
אלטרמגנטים שנחזו לאחרונה משלבים את היתרונות של פרומגנטים ואנטי-פרומגנטים, שנחשבו כלא תואמים ביסודו, ויש להם גם יתרונות ייחודיים נוספים שלא נמצאו בענפים האחרים. ניתן לחשוב על אלטרמגנטים כאל סידורים מגנטיים שבהם לא רק המומנטים האטומיים על אטומים שכנים מתחלפים, אלא גם הכיוון של האטומים בגביש. לפיכך, אלטרמגנטים אינם יוצרים שדה מגנטי מבחוץ, אך האלקטרונים בפנים מרגישים שדה מגנטי שלמעשה חזק פי 1,000 מהשדה של המגנט במקרר. שדות אלה יכולים לווסת זרמים חשמליים בדומה לפרומגנטים ולכן הם עשויים להיות אטרקטיביים מאוד עבור יישומים בננו-אלקטרוניקה עתידית אולטרה-מדרגית.
בנוסף, מדענים זיהו יותר מ-200 חומרים מועמדים לאלטרמגנטיות עם תכונות המכסות מבודדים, מוליכים למחצה, מתכות, ואפילו מוליכים. קבוצות מחקר חקרו רבות מהחומרים הללו בעבר, אך הטבע האלטרמגנטי שלהם נותר נסתר מהם.
תיאורטיקנים חזו את הענף האלטרמגנטי לפני חמש שנים
החל משנת 2019, צוות מאוניברסיטת יוהנס גוטנברג מיינץ והמכון לפיזיקה בפראג פרסמו סדרה של מאמרים שבהם זיהו באופן תיאורטי חומרים מגנטיים לא קונבנציונליים. בשנת 2021, אותו צוות של ד"ר ליבור שמיקל, פרופסור ז'אירו סינובה ופרופסור תומס יונגווירת' חזה כי חומרים אלו יוצרים סוג שלישי של מגנטיות בסיסית, שאותה כינו אלטרמגנטיות ושמבנה הגביש והמגנט שלו שונה לחלוטין מפרומגנטים ואנטי-פרומגנטים רגילים. .
מכיוון שהאלטרמגנטיות פותחת אפשרויות רחבות וחסרות תקדים למחקר ויישום, כמעט מיד לאחר התחזית התיאורטית הגיע גל של מחקרי המשך של קבוצות מחקר מכל העולם. לאחר מכן, זו הייתה שאלה של מתי הראיות הניסיוניות הישירות יגיעו.
עדויות ניסיוניות שנערכו על חומר שנחשב במשך עשרות שנים ל"אנטיפרומגנט קלאסי"
צוות בינלאומי של חוקרים סיפק כעת ראיות כאלה במחקר שפורסם ב טֶבַע. החוקרים החליטו לבחון גבישים של מועמד אלטרמגנטי פשוט משני אלמנטים – מנגן טלוריד (MnTe). באופן מסורתי, חומר זה נחשב לאחד האנטי-פרומגנטים הקלאסיים מכיוון שהמומנטים המגנטיים על אטומי מנגן שכנים מצביעים בכיוונים מנוגדים, ולכן אינם יוצרים שדה מגנטי חיצוני סביב החומר.
כעת, בפעם הראשונה, מדענים הצליחו להדגים ישירות את האלטרמגנטיות של MnTe. הם השתמשו בתחזיות תיאורטיות כדי לנווט לאיזה כיוון "האור" "יזרח" על גבישי MnTe באיכות גבוהה בניסוי פוטו. הצוות מדד את מבני הלהקה, שהם מפות שהפיזיקאים משתמשים בהם כדי לתאר את תכונות האלקטרונים בגבישים, על סינכרוטרון. לאחר מכן הם הצליחו להראות שלמרות היעדר שדה מגנטי חיצוני המצבים האלקטרוניים ב-MnTe מפוצלים מאוד בספין. קנה המידה והצורה של פיצול הספין תואמים באופן מושלם לפיצול האלטרמגנטי החזוי באמצעות חישובים מכאניים קוונטיים.
בנוסף, החוקרים הצליחו לזהות ספין-קיטוב של הרצועות בפעם הראשונה. "זוהי ראיה ישירה לכך ש-MnTe אינו אנטי-פרומגנט קונבנציונלי וגם לא פרומגנט קונבנציונלי אלא שייך לענף אלטרמגנטי חדש של חומרים מגנטיים", אמר ד"ר ליבור שמיקל מ-JGU, המחבר הראשי של החלק התיאורטי של המאמר.
המחקר הסתמך על מומחיותם של חוקרים מהמכון לפיזיקה באוניברסיטת יוהנס גוטנברג מיינץ בגרמניה בשיתוף עם מדענים מהאקדמיה הצ'כית למדעים בפראג, מכון פול שרר בשוויץ, אוניברסיטת מערב בוהמיה בפילזן, האוניברסיטה. של לינץ באוסטריה, ה אוניברסיטת נוטינגהאם בבריטניה, ואוניברסיטת צ'ארלס בפראג.
גילוי האלטרמגנטיות פותח כיווני מחקר חדשים
"לאחר התחזיות הראשונות ועם העניין העולמי הגובר במהירות באלטרמגנטיות, אנו שמחים על כך שהצלחנו לתרום להדגמה הניסיונית ב-MnTe", אמר ד"ר ליבור שמיקל מאוניברסיטת מיינץ.
פרופסור ג'אירו סינובה, מנהל קבוצת המחקר הבינתחומי Spintronics (INSPIRE) והמרכז הבינתחומי תופעות ספין (SPICE) ב-JGU ומחבר שותף של המחקר, הוסיף: "גילוי האלטרמגנטיות הזניק כיוונים חדשים במחקר העולמי לתוך עקרונות פיזיים וחומריים חדשים עבור רכיבי IT ניתנים להרחבה וחסכוניים באנרגיה." למרבה הפלא, השדה מתחמם ומספר מחקרים אחרים הופיעו לאחרונה המאשרים תכונות שונות אחרות של חומרים אלטרמגנטיים. נראה כי גילוי האלטרמגנטיות הוא רק ההתחלה של עידן חדש ומרגש במגנטיות.
