Altermagnetyzm potwierdzony: fizycy znaleźli dowód na trzeci typ magnetyzmu

Przez dekady fizycy znali tylko dwa rodzaje magnetyzmu występujące w materiałach bez wpływu z zewnątrz: ferromagnetyzm i antyferromagnetyzm. Zespół z amerykańskiego laboratorium SLAC przedstawił właśnie w czasopiśmie „Science” eksperymentalne dowody na istnienie trzeciego typu – altermagnetyzmu. Może to otworzyć drogę do szybszej i oszczędniejszej elektroniki.

Dwa znane typy i trzeci, który się do nich nie mieścił

Z punktu widzenia fizyka magnetyzm to nie tylko siła przyciągająca magnes do lodówki. To kwantowa właściwość materiału, związana ze spinem elektronów, czyli ich wewnętrznym momentem pędu, który może być skierowany „w górę” lub „w dół”. Materiał uznaje się za magnetyczny, gdy spiny są uporządkowane w określony sposób.

W ferromagnetykach wszystkie spiny wskazują ten sam kierunek, dzięki czemu powstaje pole magnetyczne, które da się zaobserwować. Ludzie korzystają z takich materiałów od starożytności. W 1933 roku opisano antyferromagnetyki, w których spiny ustawiają się naprzemiennie (góra-dół-góra-dół) i znoszą nawzajem, więc na zewnątrz nie widać żadnego efektu magnetycznego.

Przez blisko 90 lat ten podział wystarczał. Z czasem pojawiły się jednak materiały, które łączyły cechy obu grup: miały naprzemienny układ spinów bez wypadkowej namagnesowania, a jednocześnie potrafiły przewodzić prądy spinowe. Wcześniej uważano takie zachowania za wzajemnie wykluczające się. W 2022 roku zaproponowano dla nich nazwę „altermagnetyki”.

Skręcona sieć krystaliczna i test z chiralnością

Według hipotezy w altermagnetykach spiny też układają się naprzemiennie, ale jest pewien szczegół: sieć krystaliczna wokół spinów „w górę” jest obrócona względem sieci wokół spinów „w dół”. To geometryczne skręcenie łamie symetrię i może tłumaczyć nietypowe właściwości.

Brakowało jednak bezpośredniego dowodu na chiralność, czyli „rękoskrętność” – cechę obiektu, którego nie da się nałożyć na własne odbicie lustrzane, jak lewej dłoni na prawą rękawiczkę. Zwykły antyferromagnetyk jej nie ma, altermagnetyk powinien.

Zespół badał tellurek manganu (MnTe), który przez dziesięciolecia uchodził za antyferromagnetyk. Próbkę przebadano w europejskim synchrotronie ESRF we Francji, używając spolaryzowanych kołowo wiązek promieni rentgenowskich. Materiały chiralne rozpraszają światło lewoskrętne inaczej niż prawoskrętne. Naukowcy zaobserwowali wyraźny sygnał chiralności, którego w konwencjonalnym antyferromagnetyku być nie powinno. Pierwszy eksperyment wykonano w 2024 roku, a powtórzenie na początku 2025 roku potwierdziło wynik.

„Ten chiralny podpis dał nam solidne podstawy, by powiedzieć, że altermagnetyzm jest odrębną klasą” – powiedział Daniel Jost, główny autor badania.

Co to daje elektronice

Odkrycie ma znaczenie dla spintroniki, czyli dziedziny, która wykorzystuje nie tylko ładunek elektronu, ale też jego spin. Dodatkowy parametr do sterowania może oznaczać urządzenia szybsze, bardziej odporne i zużywające mniej energii, co jest istotne m.in. w centrach danych.

Dotychczasowe rozwiązania mają wady:

• ferromagnetyki są zbyt podatne na zewnętrzne pola magnetyczne, które mogą przypadkowo zmieniać zapisane bity,
• antyferromagnetyki są odporne na zakłócenia, ale praktycznie „niewidoczne”, więc trudno odczytać zapisane w nich dane,
• altermagnetyki mają zerową wypadkową namagnesowania, a jednocześnie mogą generować prądy spinowe potrzebne do odczytu informacji.

Co to oznacza w praktyce

Na razie to wynik z zakresu fizyki podstawowej i nie należy oczekiwać, że altermagnetyczne pamięci trafią wkrótce do sklepów. Badacze zapowiadają dalsze prace nad tym, jak stanami altermagnetycznymi sterować za pomocą światła i prądu elektrycznego.

Dla polskiego czytelnika to raczej sygnał, w którą stronę może pójść rozwój pamięci i technologii kwantowych w kolejnych latach. Badania spintroniczne prowadzi się także w europejskich ośrodkach, a sam eksperyment wykonano w synchrotronie we Francji, czyli w infrastrukturze działającej w Europie. Zastosowania komercyjne wymagałyby jednak jeszcze wielu lat prac nad materiałami i urządzeniami.

Źródło: Phys.org – „Confirming altermagnetism: A geometric twist offers experimental proof”