Room-temperature ferroelectric p-wave magnet

Magnetisme en elektriciteit worden al lang als afzonderlijke krachten in de fysieke wereld beschouwd, maar ze zijn diep met elkaar verweven in de materialen die onze technologie vormen. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd de spin van elektronen te benutten — de kleine interne magnetische naald van elk atoom — om informatie te dragen, een veld dat bekend staat als spintronica. De uitdaging was het vinden van materialen waarin deze spin gemakkelijk gecontroleerd kan worden zonder zware, energieverslindende magnetische velden nodig te hebben. Een nieuwe klasse materialen, recentelijk geïdentificeerd door onderzoekers, biedt een veelbelovende oplossing: magneten die geen netto magnetische aantrekkingskracht hebben, maar nog steeds een krachtige, georganiseerde interne spinstructuur bezitten. Deze materialen, p-golfmagneten genoemd, zijn bijzonder omdat hun interne orde een fundamentele symmetrie van de natuur doorbreekt, waardoor ze elektronenspins kunnen splitsen op een manier die verschilt van de magneten die we in alledaagse apparaten gebruiken. Als deze materialen met elektriciteit in plaats van magnetische velden kunnen worden gecontroleerd, zouden ze kunnen leiden tot snellere, efficiëntere elektronische apparaten die veel minder warmte genereren.

Een team van onderzoekers heeft nu een materiaal geïdentificeerd dat dit zeldzame gedrag vertoont bij kamertemperatuur, een voorwaarde die essentieel is voor praktisch gebruik. Het materiaal is bismuthferriet, een substantie die wetenschappers al kennen vanwege het vermogen om zowel magnetisch als elektrisch gepolariseerd te zijn op hetzelfde moment. Hoewel eerdere voorbeelden van dit specifieke type magnetisme alleen werden gevonden bij temperaturen nabij het absolute nulpunt, hebben de onderzoekers aangetoond dat bismuthferriet van nature het noodzakelijke magnetische patroon vormt bij de temperatuur van een typische kamer. Deze ontdekking is significant omdat het een stabiel platform biedt waar de magnetische staat simpelweg kan worden omgeklapt door een elektrische spanning toe te passen, een prestatie die voorheen werd geacht extreme kou of complexe engineering te vereisen.

De sleutel tot dit gedrag ligt in de manier waarop de atomen in bismuthferriet hun magnetische momenten ordenen. In de meeste magneten wijzen de kleine interne pijltjes van de atomen allemaal in dezelfde richting, wat een sterk magnetisch veld creëert. In bismuthferriet draaien deze pijltjes echter in een spiraalvormig patroon terwijl ze zich door het kristal bewegen. Deze spiraal is geen eenvoudige, herhalende lus; het is een complexe, incommensurabele textuur die licht verschuift terwijl deze door het materiaal reist. Deze specifieke draaibeweging creëert een unieke omgeving waarin elektronen die door het kristal bewegen een sterke scheiding ervaren op basis van hun spinrichting, zelfs wanneer het materiaal als geheel niet als een magneet optreedt. De onderzoekers berekenden dat deze scheiding aanzienlijk is, wat een energieverschil van ongeveer 100 meV tussen de twee spin-toestanden oplevert, een waarde die groot genoeg is voor elektronische toepassingen.

Om te bevestigen dat deze theoretische voorspelling echt was, maakten de wetenschappers gebruik van een techniek die licht gebruikt om de magnetische staat te onderzoeken. Ze wierpen een straal van circulair gepolariseerd licht op het materiaal. Wanneer licht met deze specifieke draaibeweging de elektronen raakt, kan het een elektrische stroom genereren als de elektronen al op een specifieke manier georganiseerd zijn. De onderzoekers ontdekten dat bismuthferriet een sterke stroom produceerde als reactie op dit licht, en de richting van die stroom hing af van de richting van de magnetische spiraal. Door de stroom vanuit verschillende hoeken te meten, brachten ze de oriëntatie van de spin-scheiding in kaart en stelden ze vast dat deze perfect overeenkwam met de voorspellingen voor dit nieuwe type magnetisme. Deze meting diende als een directe vingerafdruk, die bewees dat het materiaal de kenmerkende odd-parity spinpolarisatie van p-golfmagneten bezit.

Het meest overtuigende aspect van deze ontdekking is de mogelijkheid om de magnetische staat met elektriciteit te controleren. Omdat het draaiende magnetische patroon in bismuthferriet gekoppeld is aan de elektrische polarisatie van het materiaal, verandert het veranderen van het elektrische veld de magnetische spiraal. De onderzoekers pasten een sterke elektrische puls toe op het materiaal, wat er succesvol in slaagde de richting van de elektrische polarisatie om te keren. Deze enkele actie zorgde ervoor dat de magnetische spiraal van handigheid veranderde, waarbij een met de klok mee draaiende twist veranderde in een tegen de klok in draaiende twist. Als een direct gevolg hiervan keerde de richting van de spin-scheiding volledig om. Wanneer ze de licht-geïnduceerde stroom opnieuw maten, was deze van teken gewisseld en stroomde deze in de tegenovergestelde richting. Dit omkeerbare schakelen gebeurde bij kamertemperatuur en bleek stabiel te zijn, wat betekent dat het materiaal met slechts spanning tussen twee verschillende magnetische toestanden kan worden geschakeld.

Dit werk vestigt bismuthferriet als een functioneel, kamertemperatuur-platform voor een nieuw soort magnetisme. De onderzoekers toonden aan dat de spin-splitting wordt aangedreven door de uitwisselingsinteracties tussen de atomen in de spiraal, in plaats door de zwakkere effecten van spin-baan-koppeling die vaak in andere materialen worden gevonden. Door te bewijzen dat deze staat elektrisch kan worden geschakeld, opent de studie een duidelijk pad naar de ontwikkeling van spintronische apparaten die worden aangestuurd door spanning in plaats van stroom. Dergelijke apparaten zouden met veel minder energieverbruik kunnen werken, wat een potentieel pad biedt naar efficiëntere computerculturen die vertrouwen op de manipulatie van elektronenspin in plaats van alleen elektrische lading. De bevindingen bevestigen dat de complexe magnetische texturen die in de natuur voorkomen, kunnen worden aangewend om robuuste, controleerbare toestanden te creëren die voorheen slechts theoretische mogelijkheden waren.