Altermagnetisme: Jenis magnetisme baru

[lordi]

Para peneliti telah membuktikan adanya altermagnetisme melalui eksperimen di Swiss Light Source SLS, yang menambah jenis magnetisme. Penemuan eksperimental cabang magnetisme baru ini diterbitkan dalam Nature. Penemuan ini menunjukkan fisika fundamental baru, yang memiliki dampak signifikan pada spintronik.

Magnetisme bukan hanya magnet di kulkas. Penemuan antiferromagnet hampir seratus tahun yang lalu membawa pemahaman ini. Sejak saat itu, keluarga bahan magnetik telah dibagi menjadi dua fase fundamental: cabang ferromagnetik yang telah dikenal selama beberapa milenium dan cabang antiferromagnetik.

Di Swiss Light Source SLS, kolaborasi internasional yang dipimpin oleh Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko bersama dengan Institut Paul Scherrer PSI melakukan bukti eksperimental dari cabang ketiga magnetisme, yang dikenal sebagai altermagnetisme.

Pengaturan spontan spesifik dari momen magnetik—atau spin elektron—dan atom-atom yang membawa momen tersebut dalam kristal menentukan fase-fase magnetik fundamental.

Jenis magnet ferromagnetik menempel pada karena spinnya berputar ke arah yang sama dan menghasilkan magnetisme makroskopis. Sebaliknya, bahan antiferromagnetik memiliki spin yang berputar secara bergantian, sehingga bahan tersebut tidak memiliki magnetisasi makroskopik bersih. Tidak seperti jenis magnetisme lainnya, seperti diamagnetisme dan paramagnetisme, ini mengacu pada respons khusus terhadap medan magnet eksternal daripada pengurutan magnetik spontan dalam bahan.

Susunan spin dan simetri kristal altermagnet unik. Seperti antiferromagnet, spin beralternasi, menghasilkan tidak adanya magnetisasi bersih. Namun, simetri ini membuat struktur pita elektronik memiliki polarisasi spin yang kuat yang berbalik arah saat melewati pita energi material, yang menjadikannya altermagnet. Ini menghasilkan beberapa sifat baru yang sepenuhnya berbeda, serta sifat-sifat yang sangat berguna yang lebih mirip dengan feromagnet.

Sektor teknologi memori magnetik generasi berikutnya yang sedang berkembang, spintronics, mendapat banyak manfaat dari saudara magnetik ketiga ini. Sementara elektronik hanya menggunakan muatan elektron, spintronik juga menggunakan keadaan spin elektron untuk mengangkut data.

Spintronik telah menjanjikan untuk mengubah teknologi TI selama beberapa tahun, tetapi teknologi ini masih sangat baru. Untuk perangkat semacam itu, feromagnet biasanya digunakan karena mereka menawarkan fenomena fisik yang sangat diinginkan yang bergantung pada spin yang kuat. Namun, meskipun magnetisasi bersih makroskopik bermanfaat dalam banyak aplikasi lainnya, gangguan antar bit—komponen pembawa informasi dalam penyimpanan data—menimbulkan batasan praktis pada skalabilitas perangkat ini.

Lebih baru-baru ini, antiferromagnet telah dipelajari untuk spintronik karena mereka tidak memiliki magnetisasi bersih, yang memungkinkan mereka untuk menawarkan skalabilitas ultra dan efisiensi energi. Namun, efek spin yang kuat feromagnet yang sangat bermanfaat tidak ada, yang sekali lagi menghambat aplikabilitas praktisnya.

Altermagnet menawarkan yang terbaik dari keduanya, dengan magnetisasi bersih nol dan fenomena bergantung spin yang kuat yang diinginkan yang ditemukan pada feromagnet. Secara prinsipil, keunggulan ini dianggap tidak sesuai.

Untuk mendapatkan bukti eksperimental langsung tentang keberadaan altermagnetisme, kita harus menunjukkan karakteristik simetri spin unik altermagnet. Untuk mendapatkan bukti ini, tim menggunakan spektroskopi fotoemis resolusi spin dan sudut di stasiun akhir SIS (COPHEE) dan garis pancar ADRESS dari SLS. Metode ini memungkinkan tim untuk melihat fitur yang mencolok dalam struktur elektronik altermagnet yang dicurigai, seperti pemisahan pita elektronik yang sesuai dengan berbagai keadaan spin, yang dikenal sebagai pengangkatan degenerasi spin Kramers.

Penemuan ini dilakukan pada kristal tellurida mangan, sebuah bahan yang sudah dikenal luas yang terdiri dari dua unsur sederhana. Karena momen magnetik pada atom mangan yang berdekatan bergerak ke arah yang berlawanan, material ini secara tradisional dianggap sebagai antiferromagnet klasik. Ini menghasilkan magnetisasi bersih yang menghilang.

Namun, para ilmuwan harus mengetahui bahwa mereka sedang melihat altermagnet ketika mereka melihat pengangkatan degenerasi spin Kramers oleh urutan magnetik, sedangkan antiferromagnet tidak.

Juraj Krempasky, seorang ilmuwan beamline yang bekerja di Grup Optik Beamline di PSI dan penulis utama studi tentang mangan telluride, mengatakan, "Kami dapat mendeteksi pembelahan bergantian karakteristik dari tingkat energi yang sesuai dengan keadaan spin yang berlawanan berkat presisi tinggi dan sensitivitas pengukuran kami, dan dengan demikian menunjukkan bahwa mangan telluride bukanlah antiferomagnet konvensional maupun feromagnet konvensional, melainkan termasuk dalam cabang altermagnetik baru dari bahan

Sekarang, garis sinar yang memungkinkan penemuan ini telah dilepaskan; peningkatan SLS 2.0 menunggu. Stasiun akhir COPHEE akan sepenuhnya diintegrasikan ke dalam jalur berkas "QUEST" yang baru setelah dua puluh tahun penelitian yang berhasil. Menurut Krempasky, eksperimen ini dilakukan dengan foton cahaya terakhir di COPHEE. "Bahwa mereka memberikan terobosan ilmiah yang sangat penting adalah hal yang sangat emosional bagi kami."