פריצת הדרך האלטרמגנטית: ממד חדש של מגנטיות נחקר

חוקרים מאוניברסיטת מיינץ הצליחו לדמיין את המעמד השלישי של מגנטיות, הנקרא אלטרמגנטיות, בפעולה.

פרומגנטיות ואנטי-פרומגנטיות ידועות זה מכבר למדענים כשני מחלקות של סדר מגנטי של חומרים. עוד בשנת 2019, חוקרים מאוניברסיטת יוהנס גוטנברג מיינץ (JGU) הניחו סוג שלישי של מגנטיות, הנקרא אלטרמגנטיות. אלטרמגנטיות זו הייתה נושא לוויכוח סוער בין מומחים מאז, וחלקם הביעו ספקות לגבי קיומה.

לאחרונה, צוות חוקרים ניסויים בראשות פרופסור הנס-יואכים אלמרס ב-JGU הצליח למדוד לראשונה ב- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) אפקט הנחשב כחתימה של אלטרמגנטיות, ובכך מספק הוכחה לקיומו של סוג שלישי זה של מגנטיות. תוצאות המחקר פורסמו ב התקדמות המדע.

אלטרמגנטיות – שלב מגנטי חדש

בעוד שלפרומגנטים, שכולנו מכירים ממגנטים למקרר, כל המומנטים המגנטיים שלהם מיושרים לאותו כיוון, לאנטי-פרומגנטים יש מומנטים מגנטיים מתחלפים. לפיכך, ברמה המקרוסקופית, המומנטים המגנטיים של אנטי-פרומגנטים מבטלים זה את זה, כך שאין שדה מגנטי חיצוני – מה שיגרום למגנטים למקרר העשויים מחומר זה פשוט ליפול מדלת המקרר. המומנטים המגנטיים ב-altermagnets שונים באופן שבו הם מכוונים.

"אלטרמגנטים משלבים את היתרונות של פרומגנטים ואנטי-פרומגנטים. המומנטים המגנטיים הסמוכים שלהם הם תמיד אנטי-מקבילים זה לזה, כמו באנטי-פרומגנטים, כך שאין השפעה מגנטית מקרוסקופית, אבל, באותו הזמן, הם מציגים זרם מקוטב ספין – בדיוק כמו פרומגנטים", הסביר פרופסור הנס-יואכים אלמרס. ראש קבוצת מגנטיות במכון לפיזיקה של JGU.

נעים באותו כיוון עם סיבוב אחיד

זרמים חשמליים יוצרים בדרך כלל שדות מגנטיים. עם זאת, אם מחשיבים אלטרמגנט כמכלול, המשלב את קיטוב הספין ברצועות האלקטרוניות לכל הכיוונים, מתברר שהשדה המגנטי חייב להיות אפס למרות הזרם המקוטב בספין. אם, לעומת זאת, תשומת הלב מוגבלת לאותם אלקטרונים שנעים בכיוון מסוים, המסקנה היא שהם חייבים להיות בעלי ספין אחיד.

"לתופעת היישור הזו אין שום קשר לסידורים מרחביים או למקום שבו נמצאים האלקטרונים, אלא רק לכיוון מהירות האלקטרונים", הוסיף אלמרס. מכיוון שמהירות (v) כפול מסה (M) שווה לתנע (P), פיזיקאים משתמשים במונח "מרחב תנע" בהקשר זה. השפעה זו נחזתה בעבר על ידי קבוצות תיאורטיות ב-JGU בראשות פרופסור Jairo Sinova וד"ר ליבור Šmejkal.

הוכחה התקבלה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים מומנטום

"הצוות שלנו היה הראשון לאמת בניסוי את ההשפעה", אמר אלמרס. החוקרים השתמשו במיקרוסקופ מומנטום מותאם במיוחד. לצורך הניסוי שלהם, הצוות חשף שכבה דקה של רותניום דו חמצני לקרני רנטגן. העירור שנוצר של האלקטרונים הספיק לפליטתם משכבת ​​הרותניום דו-חמצני ולזיהוי שלהם. בהתבסס על התפלגות המהירות, החוקרים הצליחו לקבוע את מהירות האלקטרונים ברותניום דו-חמצני. ובאמצעות קרני רנטגן מקוטבות מעגלית, הם אפילו הצליחו להסיק את כיווני הספין.

עבור מיקרוסקופ המומנטום שלהם, החוקרים שינו את מישור המוקד המשמש בדרך כלל לתצפית במיקרוסקופים אלקטרוניים סטנדרטיים. במקום תמונה מוגדלת של פני השטח של סרט תחמוצת הרותניום, הגלאי שלהם הראה ייצוג של מרחב המומנטום. "מומנטים שונים מופיעים במיקומים שונים על הגלאי. במילים פשוטות יותר, הכיוונים השונים שבהם האלקטרונים נעים בשכבה מיוצגים על ידי נקודות מתאימות על הגלאי", אמר אלמרס.

אלטרמגנטיות עשויה להיות רלוונטית גם לספינטרוניקה. זה יכלול שימוש במומנט המגנטי של אלקטרונים במקום המטען שלהם בזיכרון גישה אקראית דינמית. כתוצאה מכך, ניתן להגדיל משמעותית את קיבולת האחסון. "התוצאות שלנו יכולות להיות הפתרון למה שהוא אתגר מרכזי בתחום הספינטרוניקה", הציע אלמרס. "ניצול הפוטנציאל של אלטרמגנטים יקל על קריאת מידע מאוחסן בהתבסס על קיטוב הספין בלהקות האלקטרוניות."