Fizičari prvi put uočavaju novi oblik magnetizma

Fizičari s MIT-a demonstrirali su novi oblik magnetizma koji bi se jednog dana mogao iskoristiti za izgradnju bržih, gušćih i energetski manje zahtjevnih "spintroničkih" memorijskih čipova. 

Novo magnetsko stanje je kombinacija dva glavna oblika magnetizma: feromagnetizma svakodnevnih magneta za hladnjak i igala kompasa, te antiferomagnetizma, u kojem materijali imaju magnetska svojstva na mikroskali, ali nisu makroskopski magnetizirani. 

Sada je MIT-ov tim u svom radu u časopisu Nature, demonstrirao novi oblik magnetizma, nazvan "p-valni magnetizam". Fizičari su odavno primijetili da elektroni atoma u regularnim feromagnetima dijele istu orijentaciju "spina", poput mnogih sićušnih šestara usmjerenih u istom smjeru. Ovo poravnanje spina generira magnetsko polje koje feromagnetu daje njegov inherentni magnetizam. Elektroni koji pripadaju magnetskim atomima u antiferomagnetu također imaju spin, iako se ti spinovi izmjenjuju, s elektronima koji kruže oko susjednih atoma poravnavajući svoje spinove antiparalelno jedan drugome.

Uzeti zajedno, jednaki i suprotni spinovi se poništavaju, a antiferomagnet ne pokazuje makroskopsku magnetizaciju. 

Tim je otkrio novi p-valni magnetizam u nikal jodidu (NiI2 ), dvodimenzionalnom kristalnom materijalu koji su sintetizirali u laboratoriju. Poput feromagneta, elektroni pokazuju preferiranu orijentaciju spina, a poput antiferomagneta, jednake populacije suprotnih spinova rezultiraju neto poništavanjem. Međutim, spinovi na atomima nikla pokazuju jedinstveni uzorak, tvoreći spiralne konfiguracije unutar materijala koje su zrcalne slike jedna druge, slično kao što je lijeva ruka zrcalna slika desne ruke. 

Štoviše, istraživači su otkrili da im ova konfiguracija spiralnog vrtnje omogućuje "prebacivanje vrtnje". Ovisno o smjeru spiralnih vrtnji u materijalu, mogli su primijeniti malo električno polje u srodnom smjeru kako bi lako preokrenuli lijevu spiralu vrtnji u desnu spiralu vrtnji i obrnuto. 

Sposobnost promjene elektronskih spina je srž „spintronike“, koja je predložena alternativa konvencionalnoj elektronici. Ovim pristupom, podaci se mogu zapisati u obliku elektronskog spina, a ne njegovog elektroničkog naboja, što potencijalno omogućuje pakiranje redova veličine većeg broja podataka na uređaj uz korištenje daleko manje energije za pisanje i čitanje tih podataka.  

Za svoju novu studiju, tim je sintetizirao monokristalne pahuljice niklovog jodida tako što je prvo nanio prahove odgovarajućih elemenata na kristalnu podlogu, koju su stavili u visokotemperaturnu peć. Proces uzrokuje taloženje elemenata u slojeve, od kojih je svaki mikroskopski raspoređen u trokutastoj rešetki atoma nikla i joda. 

Istraživači su htjeli znati hoće li spiralna geometrija spina atoma nikla doista prisiliti elektrone koji putuju u suprotnim smjerovima da imaju suprotne spine, kao što je očekivano da bi p-valni magnet trebao pokazivati. Kako bi to promatrali, grupa je na svaku pahuljicu primijenila snop kružno polarizirane svjetlosti koja proizvodi električno polje koje se rotira u određenom smjeru, u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu. 

Zaključili su da ako putujući elektroni koji međudjeluju sa spinalnim spiralama imaju spin koji je poravnat u istom smjeru, tada bi dolazna svjetlost, polarizirana u istom smjeru, trebala rezonirati i proizvesti karakterističan signal. Takav signal bi potvrdio da se spinovi putujućih elektrona poravnavaju zbog spiralne konfiguracije, a nadalje i da materijal doista pokazuje p-valni magnetizam. 

I doista, to je ono što je grupa otkrila. U eksperimentima s više pahuljica nikl jodida, istraživači su izravno primijetili da je smjer vrtnje elektrona povezan s usmjerenošću svjetlosti koja se koristi za pobuđivanje tih elektrona. To je karakterističan znak p-valnog magnetizma, ovdje prvi put opažen. 

"Sada kada smo shvatili ovo novo stanje magnetizma, sljedeća granica je pronalazak materijala s tim svojstvima na sobnoj temperaturi. Zatim to možemo primijeniti na spintronički uređaj", navode znanstvenici.