技術と研究に広範な影響を与える新しいタイプの磁気

磁気ファミリーに新たな仲間が加わりました。スイス光源 SLS で行われた実験のおかげで、研究者たちは代替磁気の存在を証明しました。 この新しい磁性分野の実験的発見は、 言及された で 自然 これは新しい基礎物理学を意味し、スピントロニクスに大きな影響を及ぼします。

磁気は冷蔵庫にくっつくだけではありません。 この理解は、ほぼ 1 世紀前の反磁性体の発見によってもたらされました。 それ以来、磁性材料のファミリーは 2 つの基本段階に分けられています。1 つは数千年にわたって知られてきた強磁性の部分、もう 1 つは反磁性の部分です。

代替磁性と呼ばれる磁性の 3 番目の分野の実験的証拠が、チェコ科学アカデミーとポール シェラー研究所 PSI が主導する国際協力を通じて、スイスの光源 SLS で提供されました。

基本的な磁気位相は、磁気モーメント (電子スピン) と結晶内でモーメントを運ぶ原子の特定の自発的配置によって決まります。

強磁性体は冷蔵庫にくっつく磁石の一種です。ここではスピンが同じ方向を向いており、微視的な磁性を与えます。 反強磁性材料では、スピンが交互の方向を向いているため、その材料は巨視的な磁化ネットワークを持たず、したがって冷凍庫にくっつきません。 磁性や常磁性など、他のタイプの磁性も分類されていますが、それらは材料内の自発的な磁気配置ではなく、外部から加えられた磁場に対する特定の反応を説明します。

交換用磁石は、スピン配列と結晶対称性の特別な組み合わせを備えています。 反磁石のようにスピンが交互になり、正味の磁化は生じません。 ただし、単に対称性を打ち消すのではなく、対称性により、材料のエネルギーバンドを通過するときに方向が変動する強いスピン分極を伴う電子バンド構造が得られるため、置換磁石と呼ばれています。 これにより、強磁性体と同様の非常に有用な特性だけでなく、まったく新しい特性も得られます。

私の新しい便利な弟

この 3 番目の磁気兄弟は、スピントロニクスとして知られる次世代の磁気メモリ技術の開発分野に明確な利点をもたらします。 エレクトロニクスは電子の電荷のみを使用しますが、スピンエレクトロニクスは電子のスピン状態も利用して情報を伝達します。

スピントロニクスは情報技術に革命をもたらすと長年期待されてきましたが、まだ初期段階にあります。 通常、強磁性体は非常に望ましいスピン依存の強力な物理現象を提供するため、このようなデバイスに使用されてきました。 ただし、他の多くのアプリケーションで役立つ巨視的な正味磁化は、ビット (データ ストレージ内の情報を運ぶ要素) 間の干渉を引き起こすため、これらのデバイスのスケーラビリティに実際的な制限を課します。

最近、反磁性体は正味磁化の欠如を利用して優れた拡張性とエネルギー効率を提供するため、スピントロニクス用に研究されています。 しかし、強磁性体では非常に役立つ強力なスピン依存効果が存在しないため、やはり実際の適用性が妨げられます。

ここで我々は、原理的には相容れないと考えられていた利点である、強磁性体に典型的に見られる強力なスピン依存現象と結合したネットゼロ磁化という両方の長所を備えた代替磁石の分野に参入します。

「これは代替磁石の魔法です」と、この研究の主任研究員であるチェコ科学アカデミー物理研究所のトーマス・ユングヴィルト氏は言う。 「最近の理論的予測が明らかになるまで、人々は不可能だと考えていたこと [showed it] 「実際にそれは可能です。」

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新しい種類の磁性の存在についての噂は、それほど昔に始まりませんでした。2019年に、ユングヴィルスとチェコ科学アカデミーとマインツ大学の理論家仲間は、古典的な説明に当てはまらないスピン構造を持つある種の磁性材料を特定しました。 。 強磁性または反磁性。

2022 年、理論家たちは代替磁性の存在に関する予測を発表しました。 彼らは、絶縁体や半導体から金属や超伝導体に至るまで、200 を超える代替磁石の候補を発見しました。 これらの材料の多くはよく知られており、過去に広く研究されていましたが、その代替的な磁気的性質は注目されていませんでした。 代替磁気によってもたらされる膨大な研究と応用の機会を考えると、これらの予測はコミュニティ内で大きな興奮を引き起こしました。 捜索は続けられていた。

X線は証拠を提供します

代替磁性の存在についての直接的な実験的証拠を得るには、代替磁石に期待される独特のスピン対称特性を解明する必要がある。 この証拠は、SIS (COPHEE の終端) および SLS の ADRESS ビームラインでの回転および角発光分光法を使用して得られました。 この技術により、チームは、疑わしい代替磁石の電子構造における明確な特徴、つまり、クレーマースピン縮退リフトとして知られる、異なるスピン状態に対応する電子バンドの分裂を視覚化することができました。

この発見は、よく知られた単純な 2 成分物質であるテルル化マンガンの結晶で行われました。 隣接するマンガン原子の磁気モーメントが反対方向を向き、エバネッセント正味磁化を生成するため、伝統的にこの材料は古典的な強磁性体と考えられてきました。

ただし、反磁石は磁気秩序において高いクラマースピン縮退を示すべきではありませんが、強磁性体または置換磁石は示すはずです。 科学者たちは、正味磁化の消失を伴うクレイマースピンの減衰の増加を見たとき、自分たちが検討しているのは代替磁石であると気づきました。

「私たちの測定の高精度と感度のおかげで、反対のスピン状態に対応するエネルギーレベルの特徴的な交互の分裂を検出することができ、テルル化マンガンが古典的な反磁性体でも古典的な強磁性体でもなく、新しい分野に属することを証明しました」 PSIのビームライングループ光学グループのビームライン科学者であり、この研究の筆頭著者であるJuraj Krempaski氏は次のように述べています。

この発見を可能にしたビームラインは現在解体され、SLS 2.0のアップグレードを待っています。 20 年にわたる科学の成功を経て、最後の COPHEE ステーションは新しい「QUEST」ビームラインに完全に統合されます。 「私たちはCOPHEEの最後の光子を使ってこれらの実験を行いました。彼らがこのような重要な科学的進歩をもたらしたことは、私たちにとって非常に感慨深いです」とクレンパスキ氏は付け加えた。

「これを強調したことで、世界中のより多くの人々がそれに取り組むことができるようになります。」

研究者らは、磁性におけるこの根本的な新発見が、研究や技術の多様な分野に影響を与えながら、物性物理学への理解を深めてくれると信じています。 スピントロニクスの発展分野における利点に加えて、それらは、さまざまな磁性材料で発生する可能性のある超伝導状態についての新たな洞察を通じて、型破りな超伝導を探求するための有望なプラットフォームも提供します。

「代替磁性は実際にはそれほど複雑なものではありません。それは、何十年もの間、私たちが気づかないうちに私たちの目の前に存在してきた非常に基本的なものです」とユングヴィルト氏は言います。 「そして、それは少数のあいまいな物質にのみ見られるものではありません。人々が単に引き出しの中にしまっておくような多くの結晶の中に存在します。その意味で、私たちがそれに光を当てたので、世界中の多くの人々がそうするでしょう」それに取り組むことができ、広範囲に影響を与えることが可能になります。」