Fizikçiler ilk kez yeni bir manyetizma biçimi gözlemledi

[™ Admin]

Fizikçiler ilk kez yeni bir manyetizma biçimi gözlemledi

MIT fizikçileri, bir gün daha hızlı, daha yoğun ve daha az güç tüketen "spintronik" bellek yongaları üretmek için kullanılabilecek yeni bir manyetizma biçimi gösterdiler.

Yeni manyetik durum, iki ana manyetizma biçiminin bir karışımıdır: günlük buzdolabı mıknatıslarının ve pusula iğnelerinin ferromanyetizması ve malzemelerin mikroskobik ölçekte manyetik özelliklere sahip olduğu ancak makroskobik olarak manyetize olmadığı antiferromanyetizma.

Şimdi, MIT ekibi "p-dalga manyetizması" olarak adlandırılan yeni bir manyetizma biçimi gösterdi.

Fizikçiler, normal ferromanyetlerdeki atomların elektronlarının, aynı yönü işaret eden birçok küçük pusula gibi aynı "spin" yönelimini paylaştığını uzun zamandır gözlemliyorlar. Bu spin hizalaması, bir ferromanyete doğal manyetizmasını veren bir manyetik alan oluşturur.

Bir antiferromanyetikteki manyetik atomlara ait elektronlar da spinlere sahiptir, ancak bu spinler dönüşümlüdür ve komşu atomların yörüngesinde dönen elektronlar spinlerini birbirine antiparalel olarak hizalar. Birlikte ele alındığında, eşit ve zıt spinler birbirini götürür ve antiferromanyetik makroskobik manyetizasyon göstermez.

Ekip, laboratuvarda sentezledikleri iki boyutlu kristal bir malzeme olan nikel iyodürde (NiI2) yeni p dalgası manyetizmasını keşfetti. Bir ferromanyetik gibi, elektronlar tercih edilen bir spin yönelimi sergiler ve bir antiferromanyetik gibi, zıt spinlerin eşit popülasyonları net bir iptalle sonuçlanır. Ancak, nikel atomlarındaki spinler benzersiz bir desen sergiler ve malzeme içinde birbirlerinin ayna görüntüleri olan spiral benzeri konfigürasyonlar oluşturur, tıpkı sol elin sağ elin ayna görüntüsü olması gibi.

Dahası, araştırmacılar bu spiral spin yapılandırmasının "spin değiştirme" yapmalarını sağladığını buldular: Malzemedeki spiral spinlerin yönüne bağlı olarak, ilgili bir yönde küçük bir elektrik alanı uygulayarak sol elli bir spin spiralini sağ elli bir spin spiraline kolayca çevirebiliyorlardı ve tam tersi de geçerliydi.

Elektron spinlerini değiştirme yeteneği, geleneksel elektroniğe önerilen bir alternatif olan "spintronik"in merkezinde yer alır. Bu yaklaşımla, veriler elektronun elektronik yükü yerine spini biçiminde yazılabilir ve bu da potansiyel olarak çok daha az güç kullanarak bu verileri yazmak ve okumak için bir cihaza çok daha fazla verinin yüklenmesine olanak tanır.

MIT Malzeme Araştırma Laboratuvarı'nda araştırma bilimcisi olan Qian Song, "Bu yeni manyetizma biçiminin elektriksel olarak işlenebileceğini gösterdik" diyor. "Bu çığır açan buluş, yeni bir ultra hızlı, kompakt, enerji tasarruflu ve uçucu olmayan manyetik bellek cihazları sınıfının önünü açıyor."

Song ve meslektaşları sonuçlarını 28 Mayıs'ta Nature dergisinde yayınladılar. MIT ortak yazarları arasında Connor Occhialini, Batyr Ilyas, Emre Ergeçen, Nuh Gedik ve Riccardo Comin ile Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi'nden Rafael Fernandes ve diğer birçok kurumdan işbirlikçiler yer alıyor.

Noktaları birleştirmek

Bu keşif, Comin'in grubunun 2022'deki çalışmasını genişletiyor. O zamanlar ekip aynı malzeme olan nikel iyodürün manyetik özelliklerini araştırdı. Mikroskobik düzeyde, nikel iyodür nikel ve iyot atomlarının üçgen bir kafesine benzer. Nikel, malzemenin ana manyetik bileşenidir çünkü nikel atomlarındaki elektronlar spin gösterirken, iyot atomlarındakiler göstermez.

Bu deneylerde, ekip bu nikel atomlarının spinlerinin malzemenin kafesi boyunca spiral bir desende düzenlendiğini ve bu desenin iki farklı yönelimde spiral olabileceğini gözlemledi.

O zamanlar, Comin bu benzersiz atomik spin deseninin çevredeki elektronlardaki spinlerin hassas bir şekilde değiştirilmesini sağlayabileceğinden habersizdi. Bu olasılık daha sonra, diğer teorisyenlerle birlikte, malzemede zıt yönlerde hareket eden elektronların spinlerinin zıt yönlerde hizalanacağı yeni, alışılmadık bir "p-dalgası" mıknatısı için yakın zamanda önerilen bir fikirden etkilenen işbirlikçisi Rafael Fernandes tarafından ortaya atıldı.

Fernandes ve meslektaşları, bir malzemedeki atomların spinlerinin Comin'in nikel iyodürde gözlemlediği geometrik spiral düzenlemeyi oluşturması durumunda bunun bir "p-dalgası" mıknatısının gerçekleşmesi olacağını fark ettiler. Daha sonra, spiralin "sağ-sağ" yönünü değiştirmek için bir elektrik alanı uygulandığında, aynı yönde hareket eden elektronların spin hizalanmasını da değiştirmelidir.

Başka bir deyişle, böyle bir p-dalga mıknatısı, spintronik uygulamalar için kullanılabilecek şekilde elektron spinlerinin basit ve kontrol edilebilir bir şekilde değiştirilmesini sağlayabilir.

"O zamanlar tamamen yeni bir fikirdi ve nikel iyodürün bu tür p-dalga mıknatıs etkisini göstermek için iyi bir aday olduğunu fark ettiğimiz için bunu deneysel olarak test etmeye karar verdik," diyor Comin.

Spin akımı

Ekip, yeni çalışmaları için, önce ilgili elementlerin tozlarını kristal bir alt tabaka üzerine biriktirerek nikel iyodürün tek kristal pullarını sentezledi ve bunları yüksek sıcaklıktaki bir fırına yerleştirdi. İşlem, elementlerin her biri mikroskobik olarak nikel ve iyot atomlarından oluşan üçgen bir kafeste düzenlenmiş katmanlara yerleşmesine neden olur.

Comin, "Fırından çıkanlar, kraker ekmeği gibi birkaç milimetre genişliğinde ve ince numunelerdir," diyor. "Daha sonra malzemeyi pul pul döküyoruz, her biri birkaç mikron genişliğinde ve birkaç on nanometre inceliğinde daha da küçük pulları soyuyoruz."

Araştırmacılar, nikel atomlarının spinlerinin spiral geometrisinin, Fernandes'in bir p-dalga mıknatısının sergilemesini beklediği gibi, zıt yönlerde hareket eden elektronların zıt spinlere sahip olmasını zorlayıp zorlamayacağını bilmek istediler. Bunu gözlemlemek için, grup her bir pul üzerine dairesel polarize bir ışık huzmesi uyguladı; bu ışık, belirli bir yönde, örneğin saat yönünde veya saat yönünün tersine dönen bir elektrik alanı üretir.

Spin spiralleriyle etkileşime giren hareket eden elektronların aynı yönde hizalanmış bir spini varsa, aynı yönde polarize olan gelen ışığın rezonansa girmesi ve karakteristik bir sinyal üretmesi gerektiğini düşündüler. Böyle bir sinyal, hareket eden elektronların spinlerinin spiral konfigürasyonu nedeniyle hizalandığını ve dahası, malzemenin aslında p-dalga manyetizması sergilediğini doğrulayacaktı.

Ve gerçekten de, grubun bulduğu şey buydu. Birden fazla nikel iyodür puluyla yapılan deneylerde, araştırmacılar doğrudan elektronun spininin yönünün, bu elektronları uyarmak için kullanılan ışığın sağ eliyle ilişkili olduğunu gözlemlediler. Bu, p-dalgası manyetizmasının ilk kez gözlemlenen belirgin bir işaretidir.

Bir adım daha ileri giderek, malzeme boyunca farklı yönlerde bir elektrik alanı veya az miktarda voltaj uygulayarak elektronların spinlerini değiştirip değiştiremeyeceklerini görmek istediler. Elektrik alanının yönü spin spiralinin yönüyle aynı hizada olduğunda, etkinin rota boyunca elektronları aynı yönde dönmeye çevirdiğini ve benzer şekilde dönen elektron akımı ürettiğini buldular.

"Böyle bir spin akımıyla, cihaz düzeyinde ilginç şeyler yapabilirsiniz; örneğin, manyetik bir bitin kontrolü için kullanılabilen manyetik alanları çevirebilirsiniz," diye açıklıyor Comin. "Bu spintronik etkiler, yükleri hareket ettirmek yerine sadece spinleri hareket ettirdiğiniz için geleneksel elektroniklerden daha verimlidir. Bu, esasen bilgisayarların ısınmasının nedeni olan ısı üreten herhangi bir dağılma etkisine maruz kalmadığınız anlamına gelir."

"Bu manyetik değişimi kontrol etmek için sadece küçük bir elektrik alanına ihtiyacımız var," diye ekliyor Song. "P-dalga mıknatısları beş büyüklük mertebesinde enerji tasarrufu sağlayabilir. Bu çok büyük bir şey."

"Bu son teknoloji deneylerin p-dalgası spin polarize durumları tahminimizi doğruladığını görmekten heyecan duyuyoruz," diyor Almanya, Dresden'deki Max Planck Araştırma Grubu'nun başkanı ve p-dalgası manyetizması kavramını öneren teorik çalışmanın yazarlarından biri olan ancak yeni makalede yer almayan Libor Šmejkal. "Elektriksel olarak değiştirilebilir p-dalgası spin polarizasyonunun gösterilmesi, aynı zamanda alışılmadık manyetik durumların umut verici uygulamalarını da vurguluyor."

Ekip, nikel iyodür pullarında p-dalgası manyetizmasını yalnızca yaklaşık 60 kelvinlik aşırı soğuk sıcaklıklarda gözlemledi.

"Bu, sıvı nitrojenin altında ve uygulamalar için mutlaka pratik değil," diyor Comin. "Ancak bu yeni manyetizma durumunu fark ettiğimize göre, bir sonraki sınır, oda sıcaklığında bu özelliklere sahip bir malzeme bulmak. Sonra bunu bir spintronik cihaza uygulayabiliriz."

Kaynak: Phys