Electrically Switchable Spintronics in a Multiferroic Altermagnet

Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar materialen die twee dingen tegelijk kunnen doen: een magnetische staat onthouden zoals een harde schijf en die staat omschakelen met elektriciteit zoals een lichtschakelaar. Deze droom behoort toe aan een klasse van stoffen genaamd multiferroïca, waarbij de ordening van elektrische ladingen en de uitlijning van magnetische spins aan elkaar gekoppeld zijn. Als een dergelijk materiaal met een eenvoudig elektrisch veld gecontroleerd zou kunnen worden, zou dit computers in staat stellen om informatie te verwerken met veel minder energie dan de huidige technologie, die afhankelijk is van het bewegen van elektrische stromen die warmte genereren. Het vinden van een materiaal dat zowel magnetisch als elektrisch schakelbaar is, is echter moeilijk gebleken, omdat ze vaak complexe chemie vereisen of lijden onder zwakke effecten. Onlangs is een nieuw type magnetische orde, altermagnetisme genoemd, opgekomen als een veelbelovende kandidaat. In tegenstelling tot gewone magneten die een netto aantrekkingskracht hebben, of antiferromagneten waarbij magnetische krachten elkaar volledig opheffen, hebben altermagneten een verborgen, alternerende structuur die elektronen scheidt op basis van hun spin zonder een restmagnetisch veld te creëren. Dit maakt ze ongelooflijk snel en robuust, maar tot nu toe was het onduidelijk of ze ook met een elektrisch veld geschakeld konden worden om een werkelijk nuttig apparaat te creëren.

Een onderzoeker van de Universidad de Chile heeft nu een theoretisch blauwdruk voorgesteld voor precies dit soort materiaal. Hij construeerde een vereenvoudigd wiskundig model van een tweedimensionaal rooster van atomen om te zien of hij drie verschillende gedragingen tegelijkertijd kon laten verschijnen: een specifieke magnetische orde, een elektrische polarisatie en een stroom van spin-gepolariseerde elektronen. Door de atomen in een specifiek patroon te rangschikken waarbij de bindingen tussen hen licht ongelijkmatig zijn, en vervolgens een extern elektrisch veld toe te passen, ontdekte de onderzoeker dat het systeem van nature alle drie de eigenschappen ontwikkelt. De meest opmerkelijke ontdekking is dat deze eigenschappen niet alleen tegelijkertijd aanwezig zijn, maar ook dynamisch verstrengeld zijn. Dit betekent dat als je een elektrisch veld gebruikt om de richting van de elektrische polarisatie van het materiaal om te keren, de magnetische structuur en de stroom van elektronen gedwongen worden zichzelf direct te herconfigureren. Het elektrische veld fungeert als één enkele hoofdschakelaar die het hele systeem beheerst.

De onderzoeker bouwde zijn model op een rooster waar elektronen tussen locaties kunnen springen, maar introduceerde een draai: de sterkte van de verbinding tussen naburige atomen varieert in een herhalend patroon, wat een gedimeriseerde structuur creëert. Hij voegde vervolgens interacties toe die elektronen stimuleren om hun spins en orbitalen op een specifieke, alternerende manier uit te lijnen. Wanneer hij een elektrisch veld aanzette dat in een specifieke richting wijst, verbrak dit de symmetrie van het rooster, waardoor een permanente elektrische dipool ontstond. In deze staat werd het materiaal een ferro-elektrisch, in staat om een lading vast te houden. Cruciaal was dat, omdat de onderliggende magnetische structuur al aanwezig was, het elektrische veld niet alleen ladingen bewoog, maar ook de richting van de spin-polarisatie omdraaide. De onderzoeker berekende dat wanneer het elektrische veld heen en weer werd gescand, de lading en de spin-polarisatie samen zouden springen en beide toestanden op exact hetzelfde moment zouden wisselen. Dit creëert een geheugeneffect waarbij de geschiedenis van het elektrische veld de huidige magnetische en elektrische staat van het materiaal bepaalt.

Wat deze bevinding bijzonder krachtig maakt, is het mechanisme achter de spin-schakeling. In veel traditionele materialen vereist het controleren van magnetisme met elektriciteit spin-baan-koppeling, een relativistisch effect dat vaak zwak is en moeilijk te benutten. In dit model vindt de spin-schakeling puur plaats door de manier waarop de elektronen door het ongelijkmatige rooster bewegen en de magnetische orde zelf. De onderzoeker toonde aan dat het materiaal fungeert als een generator van zuivere spinstromen. Wanneer het elektrische veld in de loop van de tijd wordt veranderd, pompt het een stroom van elektronen met een specifieke spinrichting door het materiaal zonder dat er een netto magnetisch veld of externe magneten nodig zijn. Dit is een directe conversie van elektrische energie in spin-transport, een proces dat de basis zou kunnen vormen voor een nieuwe generatie logische apparaten. Het model voorspelt dat dit gedrag robuust is, wat betekent dat de magnetische orde niet wordt vernietigd door het elektrische veld, maar er juist door wordt versterkt, wat ervoor zorgt dat het apparaat stabiel blijft.

De studie onthulde ook een subtiel maar belangrijk detail over hoe de magnetische sterkte verandert. Terwijl de elektrische polarisatie van richting verandert als een schakelaar, volgt de sterkte van de magnetische orde een ander patroon, waarbij deze in een vlinderfiguur licht stijgt en daalt terwijl het veld wordt toegepast. Dit geeft aan dat het elektrische veld de magnetisme niet alleen aan- of uitzet, maar de intensiteit ervan subtiel afstemt. De onderzoeker suggereert dat deze specifieke combinatie van gedragingen — waarbij een enkel elektrisch veld gelijktijdig lading, spin en magnetische sterkte beheerst — gevonden kan worden in echte materialen, zoals bepaalde tweedimensionale vanadiumverbindingen. Door een duidelijk, minimaal kader te bieden voor hoe deze effecten ontstaan, biedt het werk een gids voor experimentatoren die op zoek zijn naar het synthetiseren van deze materialen. Het uiteindelijke doel is om apparaten te bouwen die de snelheid en het gebrek aan magnetische interferentie van gecompenseerde magneten combineren met de laagvermogen-schakelcapaciteiten van ferro-elektrica, wat potentieel kan leiden tot computers die sneller, kleiner en veel energie-efficiënter zijn dan alles wat momenteel beschikbaar is.