O echipă de la Universitatea din Nottingham tocmai a dezvăluit o descoperire majoră: dovada experimentală a existenței unei a treia clase de magnetism numită altermagnetism. Această descoperire ar putea revoluționa designul dispozitivelor de memorie magnetică și ar putea umple o verigă lipsă în cercetarea supraconductivității. Ea a fost prezentată într-un articol publicat în Nature.
Înainte de a vorbi despre această nouă formă de magnetism care este altermagnetismul, este esențial să înțelegem cele două clase principale de magnetism care sunt deja bine stabilite: feromagnetismul și antiferomagnetismul. Ele formează bazele tehnologiilor magnetice moderne și au proprietăți unice.
Feromagnetismul este probabil cel mai familiar: dă proprietățile lor magneților clasici pe care îi folosim în fiecare zi. Într-un material feromagnetic, momentele magnetice, care pot fi considerate ca niște ace de busolă la scară atomică, toate se aliniază în aceeași direcție. Această configurație creează un câmp magnetic net, ceea ce facilitează stocarea și citirea informațiilor magnetice. Cu toate acestea, această simplitate are un dezavantaj: materialele feromagnetice sunt foarte sensibile la perturbațiile externe. Simplul contact cu un alt magnet sau o variație a câmpului magnetic poate modifica sau șterge datele stocate. Antiferomagnetismul, in schimb, oferă o structura mult mai ordonata si mai stabila. În acest caz, momentele magnetice ale atomilor vecini indică în direcții opuse, formând un model alternativ similar cu o tablă de șah. Această lipsă de magnetism net face ca materialele antiferomagnetice să fie mult mai rezistente la perturbațiile externe, făcându-le ideale pentru anumite aplicații în care stabilitatea este crucială. Cu toate acestea, manipularea lor rămâne complexă. Datorită structurii lor echilibrate, sunt mult mai puțin potrivite pentru stocarea sau transportul rapid de informații.
Aceste două clase au deschis calea pentru nenumărate inovații, de la hard disk-uri la senzori utilizați în fizica fundamentală. Cu toate acestea, limitările lor i-au împins pe oamenii de știință să exploreze noi căi. În acest context apare altermagnetismul prin combinarea punctelor forte ale celor două modele evitând în același timp punctele slabe ale acestora.
Teoretizate pentru prima dată în 2022, materialele altermagnetice combină elemente din ambele clase anterioare. Într-un material altermagnetice, momentele magnetice învecinate indică, de asemenea, în direcții opuse, dar cu o ușoară răsucire. Această structură creează o combinație unică de proprietăți: viteza și rezistența antiferomagneților combinate cu unele caracteristici esențiale ale feromagneților, cum ar fi ruperea simetriei prin inversarea timpului. Ruperea simetriei timpului, un concept din fizica cuantică, descrie comportamentul diferit al unui sistem atunci când se mișcă înainte sau înapoi în timp. De exemplu, electronii dintr-un material altermagnetic au spin și moment magnetic care își schimbă orientarea atunci când timpul este inversat, rupând simetria. Această proprietate deschide calea către noi fenomene electrice, esențiale pentru tehnologii avansate precum sincronică.
Pentru a demonstra existența altermagnetismului, cercetătorii au studiat telurura de mangan, un material clasificat anterior drept antiferomagnetic. Folosind o tehnică avansată numită microscopie electronică cu fotoemisie, aceștia au reușit să imagineze structura și proprietățile magnetice ale materialului. Această metodă implică utilizarea razelor X polarizate pentru a analiza diferitele domenii magnetice ale materialului. Razele X polarizate circular au fost folosite pentru a detecta domeniile magnetice create de ruperea simetriei timpului, în timp ce razele X polarizate orizontal sau vertical au furnizat informații despre orientarea momentelor magnetice. Combinând aceste date, echipa a stabilit prima hartă a structurilor magnetice dintr-un material altermagnetic.
Pentru a merge mai departe, cercetătorii au manipulat structurile magnetice interne folosind o tehnică de ciclizare termică controlată. Această manipulare le-a permis să creeze dispozitive practice altermagnetice, cum ar fi vârtejurile magnetice, care ar putea servi ca vectori de informații în tehnologiile spintronice.
Aplicațiile potențiale ale altermagnetismului promit să revoluționeze multe domenii ale tehnologiei. În domeniul memoriei magnetice, aceste noi materiale ar putea combina avantajele antiferomagneților, precum viteza și fiabilitatea acestora, cu ușurința în utilizare a feromagneților. Acest lucru ar deschide calea pentru dispozitive de memorie care sunt mai rapide, mai durabile și mai puțin sensibile la perturbările externe. În sincronică, un domeniu în creștere al inovației, altermagnetismul oferă și oportunități unice. Vârtejurile magnetice pe care le generează ar putea fi valorificate pentru a proiecta dispozitive capabile să transporte informații la viteze foarte mari, minimizând în același timp pierderile de energie, un progres crucial pentru îmbunătățirea eficienței energetice a tehnologiilor moderne. Mai mult, altermagnetismul ar putea juca un rol cheie în dezvoltarea de noi materiale supraconductoare. Prin completarea unei verigi lipsă în simetriile fundamentale ale materialelor magnetice și supraconductoare, ar putea permite proiectarea unor materiale și mai eficiente, ceea ce deschide calea către progrese majore în domenii precum calculul cuantic sau rețelele electrice.
În ciuda acestor perspective promițătoare, rămân provocări considerabile. Crearea și stabilizarea structurilor magnetice specifice altermagnetismului necesită manipulări complexe care constituie un obstacol major în exploatarea practică a acestuia. Mai mult, optimizarea proprietăților electrice și magnetice pentru aplicații puternice rămâne un proiect pe termen lung care ar putea dura ani. Cu toate acestea, departe de a descuraja cercetătorii, aceste provocări oferă oportunități de inovare. Explorarea acestei a treia clase de magnetism este abia la început, iar oamenii de știință sunt convinși că va marca un punct de cotitură în istoria materialelor și tehnologiilor.