Symmetry-selective nonrelativistic spin splitting in antiferromagnets driven by coherent phonons

Nel mondo dell'elettronica moderna, il controllo del flusso di informazioni si affida spesso al magnetismo. I dispositivi tradizionali utilizzano materiali come il ferro, dove minuscoli magneti atomici puntano tutti nella stessa direzione, creando un campo magnetico netto che può essere facilmente manipolato. Tuttavia, questo campo magnetico è anche un limite; crea interferenze e richiede un'energia significativa per cambiare stato. Gli scienziati cercano da tempo un modo per sfruttare lo spin degli elettroni — il loro momento angolare intrinseco, che agisce come una piccola bussola interna — senza il peso di un campo magnetico netto. Questa è la promessa degli antiferromagneti, una classe di materiali in cui i magneti atomici vicini puntano in direzioni opposte, annullandosi perfettamente a vicenda. Sebbene questi materiali siano invisibili ai campi magnetici esterni e ideali per l'informatica ultraveloce e a basso consumo, sono stati storicamente difficili da controllare perché il loro ordine interno è così stabile e nascosto. Una recente scoperta riguarda il ritrovamento di un modo per scindere i livelli energetici degli elettroni con spin opposti in questi materiali, un processo noto come scissione di spin non relativistica, che consente di manipolare il flusso di elettroni senza necessitare della pesante strumentazione del magnetismo tradizionale.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un metodo per indurre e controllare dinamicamente questa scissione negli antiferromagneti utilizzando onde sonore su scala atomica. In uno studio focalizzato su un cristallo stratificato chiamato trisolfuro di manganese e fosforo, gli scienziati hanno dimostrato che, facendo vibrare il materiale con specifici modelli di luce, potevano rompere temporaneamente la simmetria che mantiene uguali gli spin degli elettroni. Questo processo non si basa sullo stato magnetico naturale del materiale, ma è invece guidato dal modo preciso in cui gli atomi vengono scossi. I ricercatori hanno scoperto che la direzione della luce utilizzata per scuotere gli atomi agisce come un interruttore, selezionando quale tipo di comportamento di spin emerge. Puntando la luce in una direzione, hanno creato uno stato in cui la differenza di energia tra gli elettroni spin-up e spin-down è presente ovunque, incluso al centro della mappa di momento del materiale. Puntando la luce in una direzione perpendicolare, hanno creato un diverso stato in cui questa differenza di energia svanisce al centro ma appare fortemente in altre direzioni, un modello caratteristico di una classe di materiali magnetici recentemente scoperta chiamata altermagneti.

Lo studio si è basato sul fatto che gli atomi in questo cristallo possono vibrare in modi specifici e coordinati quando colpiti dalla luce. I ricercatori si sono concentrati su due tipi distinti di vibrazioni che avvengono a una frequenza di circa 4,5 terahertz, una velocità troppo veloce per essere udita dall'orecchio umano ma perfettamente in sintonia con il ritmo naturale degli atomi del cristallo. Queste vibrazioni sono "attive nell'infrarosso", il che significa che gli atomi si muovono in un modo che permette loro di assorbire direttamente l'energia luminosa. Il team ha utilizzato calcoli basati sui primi principi per modellare cosa accade quando queste vibrazioni vengono congelate in posizione, creando di fatto un'istantanea del cristallo mentre è distorto. Hanno scoperto che le due vibrazioni, sebbene simili per velocità, muovono gli atomi in schemi fondamentalmente diversi. Una vibrazione spinge gli atomi di manganese in una direzione che rompe tutte le connessioni simmetriche tra gli strati magnetici opposti. L'altra vibrazione muove gli atomi in un modo che preserva una specifica simmetria speculare tra tali strati.

Questa differenza di simmetria detta il comportamento degli elettroni. Quando la vibrazione rompe tutte le connessioni tra gli strati magnetici opposti, gli elettroni con spin opposti si separano in energia attraverso l'intero materiale, creando una scissione uniforme. Questo è descritto come uno stato a onda s (s-wave), dove l'effetto è costante in tutte le direzioni. Al contrario, quando la vibrazione preserva la simmetria speculare, la scissione di energia si comporta diversamente. È zero al centro esatto della mappa di momento, ma cresce man mano che ci si allontana, cambiando segno quando si attraversano certe linee. Ciò crea un modello a onda d (d-wave), che è la firma dello stato altermagnetico. I ricercatori hanno calcolato che per un'ampiezza di vibrazione di 0,05 angstrom, la differenza di energia tra gli spin raggiunge circa 50-100 millielettronvolt, uno spostamento significativo che potrebbe essere rilevato e utilizzato nei dispositivi elettronici. Fondamentalmente, la dimensione di questa scissione energetica cresce linearmente con la forza della vibrazione, il che significa che l'effetto può essere regolato semplicemente aggiustando l'intensità della luce.

La forza di questo approccio risiede nella sua selettività e velocità. Poiché le due vibrazioni rispondono alla luce polarizzata in direzioni diverse, uno scienziato può scegliere quale stato elettronico creare semplicemente ruotando la polarizzazione del fascio di luce incidente. Se la luce è polarizzata in un modo, appare lo stato uniforme a onda s; se viene ruotata di novanta gradi, prende il sopravvento lo stato direzionale a onda d. Inoltre, poiché la vibrazione è guidata da un impulso di luce coerente, la direzione dello spostamento atomico si inverte rapidamente avanti e indietro. Ciò causa l'inversione del segno della scissione di spin indotta in sincronia con la vibrazione, oscillando alla frequenza della luce. Questo suggerisce che è possibile passare tra diversi stati di spin a velocità terahertz, molto più velocemente di quanto possano operare gli attuali interruttori elettronici. Lo studio conferma che questi effetti sono dovuti principalmente alla distorsione meccanica del reticolo cristallino piuttosto che a effetti relativistici, rendendo il fenomeno robusto e prevedibile.

Queste scoperte stabiliscono un nuovo percorso per controllare lo spin negli antiferromagneti senza la necessità di campi magnetici statici o cambiamenti chimici. Usando la luce per guidare specifiche vibrazioni atomiche, i ricercatori possono ingegnerizzare dinamicamente le proprietà elettroniche di un materiale, trasformandolo in un filtro di spin commutabile. La capacità di selezionare tra uno stato di scissione di spin uniforme e uno stato altermagnetico direzionale semplicemente cambiando l'angolo della luce offre uno strumento versatile per i futuri dispositivi spintronici. Il lavoro suggerisce che la simmetria della struttura interna di un materiale può essere temporaneamente riscritta da onde sonore, aprendo la porta a un'elettronica ultraveloce e a basso consumo che opera su principi precedentemente ritenuti fissati dallo stato naturale del materiale. Questo metodo fornisce una via diretta per manipolare il flusso di informazioni nella prossima generazione di hardware informatici, dove velocità ed efficienza energetica sono fondamentali.