新しい基本物理学の発見 – 実験は新しいタイプの磁気の存在を証明しました

スイス光源での実験 SLS 技術と研究に広範な影響を与える新しいタイプの磁気の存在を証明します。

今、私のシリーズに新しいものが追加されました。 スイス光源SLSの実験のおかげで、研究者は代替磁気の存在を証明しました。 自分の新しい分野の実験的発見は次のとおりです。 自然 スピントロニクスに重要な影響を与える新しい基本物理学を意味します。

磁性は冷蔵庫にくっつく以上のものです。 これらの理解は、ほぼ100年前に反強磁性体の発見と共に行われました。 それ以来、磁性材料ファミリーは、数千年にわたって知られている強磁性枝と反強磁性枝の2つの基本的な段階に分けられました。 交流磁性（altermagnetism）と呼ばれる磁性の3番目の分野の実験的証明は、チェコ科学アカデミーとPSI（Paul Scherrer Institute）が主導する国際協力を通じて、スイス光源（SLS）で行われました。

基本的な磁気位相は、磁気モーメント（または電子スピン）と結晶のモーメントを運ぶ原子の特定の自発的配置によって定義されます。 強磁性体は冷蔵庫に付着する磁石タイプです。 ここでは、同じ方向に回転点が回転し、巨視的な磁気を提供します。 反強磁性材料の場合、回転方向が交互に現れるため、材料は巨視的な純磁化を有さず、冷蔵庫に付着しない。 半磁性および常磁性のような他のタイプの磁性が分類されているが、これは材料の自発的な磁気順序ではなく、外部から適用される磁場に対する特定の反応を説明する。

代替磁石の発見と特性

Altermagnetsはスピン配列と結晶対称の特別な組み合わせを持っています。 反強磁性体のようにスピンが交互に現れるため、純磁化は発生しない。 しかしながら、対称性は単に相殺されるのではなく、材料のエネルギーバンドを通過するときに方向が変化する強いスピン分極を有する電子バンド構造を提供する。 したがって、代替磁石という名前が付けられました。 これにより、強磁性体に類似した非常に有用な特性と全く新しい特性が得られる。

Nature誌では、研究者たちは「交互磁性」と呼ばれる新しいタイプの基本的な磁気の発見を報告しました。 ここで、PSIの科学者であり、この出版物の最初の著者であるJuraj Krempaskyは、代替磁性の実験的証明が行われたスイス光源SLSに立っています。 クレジット: Paul Scherrer Institut / Mahir Dzambegovic

スピントロニクスについての示唆

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ている次世代磁気メモリ技術の開発に明確な利点を提供します。 電子工学が電子の電荷のみを利用するのに対し、スピントロニクスは情報を伝達するために電子のスピン状態も活用します。

Spintronicsは長年ITイノベーションを約束してきましたが、まだ初期段階です。 一般に、強磁性体は非常に望ましい強力なスピン依存物理現象を提供するため、これらの装置に使用されてきた。 しかしながら、他の多くの用途に有用な巨視的純磁化は、データ記憶装置の情報伝達要素であるビット間クロストークを引き起こすので、これらの装置のスケーラビリティに実質的な制限がある。

最近ではスピントロニクス用に反強磁性体が研究されていますが、これは純磁化がなく拡張性に優れ、エネルギー効率に優れるというメリットがあるからです。 しかし、強磁性体に非常に有用な強力なスピン依存効果が不足し、再び実際の適用性を妨げる。

ここでは、両方の利点を備えた代替磁石を紹介します。 つまり、強磁性体で一般的に見られるタムナは、強いスピン依存現象とともに純磁化ゼロ（原則として両立できないとみなされた利点）です。

今回の研究のシニア研究者であり、チェコ科学アカデミー物理学研究所のTomáš Jungwirthは、「これが代替磁石の魔法です」と述べました。 「最近の理論的予測が実際に可能になるまで、人々が不可能だと信じていたことが実際に可能になりました。」

理論的予測と実験的検証

新しいタイプの自己が隠れているという不満は、しばらく前から始まりました。 2019年、Jungwirthはチェコ科学アカデミーとマインツ大学の理論の同僚と一緒に、古典的な説明に合わないスピン構造を持つ磁性材料の種類を識別しました。 強磁性または反強磁性。

2022年、理論家たちは代替磁性の存在の予測を発表しました。 彼らは、絶縁体や金属に至るまで、さまざまな材料から200を超える交流磁性候補を発見しました。 半導体、金属および超伝導体へ。 これらの物質の多くは、過去に代替磁性特性を認識していないままよく知られており、広く研究されてきた。 交流者が提供する膨大な研究と応用の機会のために、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。 検索が開始されました。

交流磁性の存在の直接的な実験的証拠を得るには、交流磁性で予測されるユニークなスピン対称性を実証する必要があります。 証拠は、SIS（COPHEEエンドステーション）およびSLSのADRESSビームラインでスピンおよび角度分解光電子放出分光法を使用して行われました。 この技術により、チームは疑わしいAltermagnetの電子構造から隠すことができない特徴、すなわちKramersスピン縮退の持ち上げとして知られる様々なスピン状態に対応する電子バンドの分割を可視化することができました。

この発見は、よく知られている単純な二元素物質であるテルル化マンガン結晶で行われました。 伝統的に、この物質は、隣接するマンガン原子の磁気モーメントが反対方向に向かって消える純磁化を生成するため、古典的な反強磁性体と考えられてきました。

ただし、反強磁性体は磁気順にリフトされたクレーマースピン縮退を示してはいけませんが、強磁性体や代替磁性体はそうしなければなりません。 科学者たちが消える純磁化と一緒にクレーマースピン変性の持ち上げを見たとき、彼らは代替磁石を見ていることに気づきました。

「我々の測定の高精度と感度のおかげで、我々は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分割を検出することができました。属していることを証明することができました。

この発見を可能にしたビームラインは今分解され、SLS 2.0のアップグレードを待っています。 20年間の成功した科学の終わりに、COPHEE終端局は新しい「QUEST」ビームラインに完全に統合されます。 「私たちがこの実験を行ったのは、COPHEEの最後の光光子を使用することでした。 彼らがそのような重要な科学的突破口を設けたという事実は私たちにとって非常に感動的です」とKrempaskyは付け加えました。

結論と今後の方向

研究者たちは、自己に関するこの新しい根本的な発見が、さまざまな研究分野と技術分野に影響を与え、凝集物質物理学の私たちの理解を豊かにすると信じています。 スピントロニクス開発分野の利点だけでなく、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関する新しい洞察を介して、非伝統的な超伝導性を探求するための有望なプラットフォームを提供します。

「Altermagnetismは実際には非常に複雑ではありません。 これは何十年も気づかずに私たちの目の前にあった完全に基本的なものです。」とJungwirthは言います。 「そしてそれはいくつかの未知の物質にのみ存在するものではありません。 それは人々が引き出しの中に持っていた多くの修正の中に存在します。 そういう意味で、私たちがこれを明らかにしたので、世界中の多くの人々が作業できるようになり、広範な影響を及ぼす可能性があります。」

参照：「Kramersスピン縮退の磁場リフティング」2024年2月14日、 自然。
DOI: 10.1038/s41586-023-06907-7