Streda 24. apríla, 2024
Magnet, ilustračná fotografia (Wikipedia, CC BY-SA 3.0)

Nemeckí a českí vedci objavili novú formu magnetizmu, tzv. alter-magnetizmus

Vedci z Univerzity v Mainzi a Akadémie vied Českej republiky v Prahe svojím novým objavom prelomili doteraz známu klasifikáciu magnetizmu. Stále existujú len dva magnetické póly – severný a južný – ale tri rôzne typy magnetov.

Vedci pôvodne predpokladali, že existujú dve formy magnetizmu: feromagnetický, ktorý je známy už niekoľko tisícročí, a antiferomagnetický, ktorý bol objavený približne pred sto rokmi.

Fyzikom pod vedením Dr. Libora Šmejkala z Univerzity Johannesa Gutenberga v Mainzi (JGU) sa nedávno podarilo poskytnúť priamy experimentálny dôkaz tretieho typu magnetizmu. Potom, čo pred niekoľkými rokmi teoreticky predpovedali tzv. alter-magnetizmus, sa im teraz podarilo potvrdiť jeho existenciu.

Limity pre informačné technológie

Keď sa povie magnet, zvyčajne si predstavíme feromagnety so silným magnetickým poľom – tých malých pomocníkov, ktorí doma udržiavajú nákupný zoznam na chladničke alebo zabezpečujú chod elektromotora.

Magnetické pole feromagnetu vzniká vďaka tomu, že milióny jeho atómov sú usporiadané rovnakým smerom. To znamená, že magnetické pole sa dá využiť aj na moduláciu elektrického prúdu v komponentoch informačných technológií.

Feromagnetické pole však zároveň predstavuje vážne obmedzenie priestorovej a časovej škálovateľnosti komponentov. V posledných rokoch sa preto výskum zameral na druhú, antiferomagnetickú vetvu.

Antiferomagnety sú menej známe, ale v prírode oveľa bežnejšie materiály. V nich sa smery atómových magnetických polí na susedných atómoch striedajú, podobne ako sa striedajú biele a čierne polia na šachovnici. V dôsledku toho nevytvárajú žiadne (nežiaduce) magnetické polia, a preto sú antimagnetické. Z tohto dôvodu antiferomagnety zatiaľ nenašli žiadne aktívne uplatnenie v informačných technológiách.

Altermagnety kombinujú „nezlučiteľné“ výhody

Altermagnety, predpovedané len pred niekoľkými rokmi, spájajú výhody feromagnetov a antiferomagnetov, ktoré boli považované za principiálne nezlučiteľné. Majú aj ďalšie jedinečné výhody, ktoré sa v iných odvetviach nevyskytujú.

Altermagnety si môžete predstaviť ako magnetické usporiadania, v ktorých sa striedajú nielen magnetické momenty susedných atómov, ale aj orientácia atómov v kryštáli.

Altermagnety teda nevytvárajú vonkajšie magnetické pole, ale elektróny vo vnútri pociťujú magnetické pole, ktoré je tisíckrát silnejšie ako pole magnetu na chladničku. Tieto polia môžu modulovať elektrické prúdy podobným spôsobom ako feromagnety, a preto sú potenciálne veľmi atraktívne pre aplikáciu v nanoelektronike.

Okrem toho vedci už identifikovali viac ako 200 kandidátov na novú formu magnetizmu. Tými sú napr. izolátori, polovodiče, kovy a dokonca aj supravodiče.

Dôkazy tu boli po celý čas

Fyzici skúmajú tieto materiály už dlho, ale ich alter-magnetická povaha im vždy unikala. Potom sa v roku 2019 objavil prvý lúč nádeje: vedcom pod vedením doktora Libora Šmejkala sa podarilo v sérii štúdií teoreticky identifikovať nezvyčajne magnetické materiály a o dva roky neskôr ich stanoviť ako nový tretí typ magnetizmu.

Keďže alter magnetizmus otvára ďalekosiahle a nevídané možnosti výskumu a využitia, po teoretickej predpovedi nasledovala takmer okamžite vlna následných štúdií vedcov z celého sveta. Nakoniec zostávalo už len poskytnúť priamy experimentálny dôkaz. 

Nemeckí a českí fyzici, ktorí analyzovali kryštály teluridu mangánu (MnTe), to dokázali. Doteraz sa tento materiál – podobne ako samotný mangán – považoval za klasický antiferomagnet. Keďže magnetické momenty susedných atómov mangánu smerujú opačným smerom, nevytvárajú okolo materiálu vonkajšie magnetické pole.

Na základe predpovedí sa však teraz vedcom podarilo zistiť, že napriek neprítomnosti vonkajšieho magnetického poľa sú elektronické stavy vo vnútri vysokokvalitných kryštálov MnTe silne spinovo rozštiepené. Rozsah a tvar tohto štiepenia sú v dokonalom súlade s kvantovo-mechanickými predpoveďami altermagnetizmu.

Vedcom sa tiež po prvýkrát podarilo demonštrovať spinovú polarizáciu. „Je to priamy dôkaz, že MnTe nie je ani konvenčný antiferomagnet, ani konvenčný feromagnet, ale patrí do novej, vekovo starej vetvy magnetických materiálov,“ povedal Libor Šmejkal.

Nový magnetizmus dláždi nové cesty

„Po počiatočných predpovediach a vzhľadom na rýchlo rastúci celosvetový záujem o alter magnetizmus sme radi, že sme mohli prispieť k experimentálnym dôkazom v MnTe,“ pokračuje Šmejkal.

Jairo Sinova, spoluautor štúdie, dodáva: „Objav alter magnetizmu otvoril nové cesty v celosvetovom výskume nových fyzikálnych a materiálových princípov pre vysoko škálovateľné a energeticky efektívne IT komponenty.“

Pozoruhodné je aj to, že táto oblasť sa čoraz viac dostáva do popredia. Nedávno boli publikované ďalšie štúdie potvrdzujúce rôzne ďalšie vlastnosti alter-magnetických materiálov. Zdá sa teda, že objav alter-magnetizmu je len začiatkom novej vzrušujúcej éry magnetizmu.

Štúdia bola uverejnená 14. februára 2024 v časopise Nature.

Pôvodný článok

Prečítajte si aj