Yeni teorik araştırmalar, temelde farklı bir manyetizma türünün potansiyelini ortaya çıkardı.
Yoğun madde fiziğinde, tüm iyonların manyetik momentlerinin birbirine paralel ya da antiparalel olduğu kollineer manyetizma fikri bir asır öncesine dayanıyor.
Spin spiralleri, skyrmionlar, spin buzları ve daha fazlasını içeren kollineer olmayan mıknatısların büyüleyici alanı, son 20 yılda bilim insanlarının dikkatini çekmiştir.
Bununla birlikte, kollineer manyetizmanın radikal olarak yeni bir türü olan altermanyetizma daha yeni ortaya çıkmıştır. Ferromanyetizmaya benzer şekilde, manyeto-optik ve anormal Hall etkisi de dahil olmak üzere anormal taşıma özellikleri sergiler. Ayrıca zaman-ters simetrisini de bozar. Tıpkı antiferromanyetizma gibi, simetri ile net mıknatıslanma yoktur. Dört farklı grup 2019 ve 2021 yılları arasında bu fenomeni tanımladı.
Almanya’daki Mainz Johannes Gutenberg Üniversitesi’nden Libor Mejkal ve arkadaşları tarafından 2022 yılında “altermanyetizma” adı verildi. Altermanyetizma henüz emekleme aşamasında, ancak teori ve önerilen kullanımlar için verimli bir alan olduğu şimdiden kanıtlandı. Bu arada araştırmacılar da teorilerin hipotezlerini doğrulamaya yaklaşıyor.
Daha önceki birkaç kavramsal gelişmenin doruk noktası alternatif manyetizmadır. Bunlar arasında, genellikle manyetit olarak bilinen lodestone’un, hizalanmış bireysel minik mıknatıslardan oluşan siyah bir mineral olduğunun keşfedilmesi de vardı. Doğal manyetik nitelikleri çok eski zamanlardan beri anlaşılmıştır. Ferromanyetizma teorisi geliştikçe, iki önemli kavramsal gerçekleşme daha meydana geldi. İlk olarak, bilinen en eski manyetik madde olan manyetitin (Fe3O4), insanların ilk başta ferromıknatıs olduğuna inandıkları şey olmadığı keşfedildi.
Fe iyonlarının üçte ikisi paralel manyetik momentlere, üçte biri ise hepsinin aynı hizada olmasının aksine antiparalel manyetik momentlere sahiptir. Louis Néel 1948’de bu konfigürasyona ferrimanyetizma adını verdi. Yine de ferro ve ferrimıknatısların doğada özdeş olduğu, birincisinin yalnızca ikincisinin belirli bir türü olduğu açıktı. Teorik olarak, simetri veya kimya açısından birbirinden farklı olan iki veya daha fazla manyetik alt sistem birbirini mükemmel bir şekilde dengeleyebilir. Bu “spin-dengelemeli” malzemeler makroskopik olarak manyetik olmasalar da, mikroskopik olarak ferromıknatıslarla aynıdırlar. Dahası, kristal simetrileri dengelemeyi sağlamasa da, göreceli olmayan bir düzeyde doğru ve güvenli olabilir.
Ayrıca Néel, simetri nedeniyle ferrimagnetlerden temel şekillerde farklı olan ayrı bir manyetik malzeme sınıfı olması gerektiği sonucuna vardı. Manyetik iyonların mükemmel bir kristal kafes içinde, tamamen birbirine paralel manyetik momentlerle (spinler), ancak spin başına bir çevirme ile düzenlendiği varsayımını yaptı. Bir kafes ötelemesi bu maddeyi oluşturan iki alt kafesi birbirine bağlar. Başka bir deyişle, tüm spinleri çeviren bir zaman-ters çevirme işlemi yaptığımızda manyetik manzaranın orijinalinden değişmesinin tek yolu düzgün bir çevirmedir. Schrödinger denklemi ötelemeden bağımsız olduğundan ve kristalin net mıknatıslanması tam olarak sıfır olduğundan elektron spektrumu her iki spin yönü için de açıkça aynıdır. Néel antiferromanyetleri bu şekilde bilinir.
Yoğun madde fiziği ders kitapları manyetizma tartışmalarını genellikle bu noktada sonlandırır. Bununla birlikte, antiferromanyetizmdeki varyasyonlar uzun zamandır bu sanatın uygulayıcıları tarafından bilinmektedir. Örneğin, aynı birim hücre içinde bu iyonların çift sayıda olması koşuluyla, simetriye eşdeğer manyetik iyonların yarısının bir spin yönüne ve diğer yarısının da tersine sahip olduğu bir antiferromanyetizma tasavvur edilebilir. Öteleme değil de döndürme, yansıtma, vidalama ve benzeri bir simetri işlemi iki spin alt örgüsünü bir arada tutar. Bu simetri işlemleri uzaysal bir ters çevirme içeriyorsa elektron spektrumlarının değişmeden kaldığını göstermek mümkündür; bu durumda antiferromıknatıslar ders kitaplarında görülen Néel antiferromıknatısları ile etkili bir şekilde aynıdır.
Araştırmacılar tarafından “sıfır q antiferromanyet” olarak adlandırılan bu maddelerin çok sayıda örneği keşfedilmiştir.
Bununla birlikte, başka bir malzeme sınıfı olasılığı ilgi çekicidir. Biçimsel olarak, her ikisi de antiferromanyettir (simetri ile spin dengelenmiş), ancak niteliksel olarak değildirler: ne öteleme ne de ters çevirme olmayan bir simetri işlemi, bir spin alt örgüsünü diğerine eşler. Bu süreçler, elektronik spektrumları korumadıkları için bantlarının spin tarafından ikiye bölünmesi bakımından farklılık gösterecektir. Yaklaşık 2019 yılında bu olasılık dört grup tarafından tanımlandı. Bu fenomene çok sayıda isim vermiş olsalar da, Šmejkal ve meslektaşları, çekiş kazanan ifadeyi önermekle tanınırlar: altermanyetizma.
Araştırmacılar son yıllarda altermıknatıslar ve antiferromıknatısların bazı önemli özellikleri paylaşırken, daha fazla ortak noktaya da sahip olduklarını keşfettiler (anormal Hall etkisi olasılığı, manyeto-optik tepki, tünelleme manyetorezistansı (TMR) ve diğer fenomenler).
Altermıknatıslar ve önceki çalışmalarda zaman zaman araştırılmış olan başka bir manyetik malzeme ailesi bu açıdan karşılaştırılabilir. İkinci durumda, kristal simetrisi nedeniyle birbiriyle ilgisi olmayan iki (veya daha fazla) zıt spinli alt örgüye sahip malzemeler ele alınmaktadır. İlk bakışta, bu tür ferrimıknatısların hiçbir zaman tam olarak telafi edilemeyeceği görülmektedir: hiçbir simetrinin aynı olmasını gerektirmediği iki tamsayı arasında hafif, ancak hiçbir zaman tam olarak sıfır olmayan bir boşluk bulunabilir.
Ancak söz konusu madde bir yalıtkan ya da yarı metal (bir spin kanalında yalıtkan ama her ikisinde değil) ise, o zaman durum böyle değildir. Böyle bir malzeme Quin Luttinger teoremine göre sadece tam sayı spin manyetik momentine (birim hücre başına) (Bohr manyetonlarında) sahip olabilir. Bu kriter, momentin asla sıfır olmayan küçük bir sayı olamayacağı, ancak her zaman tam olarak sıfır, bir veya iki olabileceği anlamına gelir. Bu nedenle, elektron yapısı küçük olmasını gerektiriyorsa net manyetizasyon tam olarak sıfır olacaktır. Bu örnekler daha önce belgelenmiş ve Luttinger-dengelemeli ferrimıknatıslar olarak adlandırılmıştır.
Luttinger ferromıknatıslarının ve altermıknatıslarının spintronik ve süperiletkenlik üzerindeki birçok etkisi teorisyenler tarafından zaten incelenmiştir. Bununla birlikte, özellikle çağdaş bilgisayar-bellek teknolojisinin temel dayanağı olan TMR’de daha fazla olası kullanım vardır. Ferromanyetik rezonans olarak bilinen manyetizma ve elektromanyetik dalga arasındaki bağlantı, aslında ferromanyetik malzemelere dayanan mevcut TMR cihazlarının hızını gigahertz frekanslarıyla sınırlayan şeydir. Luttinger ferromanyetlerinin ve alternatif mıknatısların rezonans frekansları üç kat daha büyüktür. Beklenen muazzam spin-akım oranı sinyalleri nedeniyle, elektromanyetik cihazlar nöromorfik bilgi teknolojileri ve spintronikte olası kullanımlar için de caziptir. Düşük dağılımlı nanoelektronikte, altermıknatısların olağandışı anormal Hall akımlarına ve topolojik kuasipartiküllerine bağlı olan ek uygulama fırsatları mevcuttur.
Gerçek bir malzemenin altermanyetizmanın beklenen her yönünü gösterip gösteremeyeceği hala tartışmalıdır. Özellikle, tek manyetik alanlı altermagnet ve Luttinger ferromagnet örneklerinin üretimi, hem laboratuvar tespiti hem de pratik uygulama için bir engel oluşturmaktadır. Bunun nedeni, birçok etki alanı üzerinde meydana gelen ilgi çekici etkilerin çoğunun birbirini iptal edeceği gerçeğidir. Tek alanlı bir numunenin enerjisi de aynı şekilde çok alanlı bir numuneninkinden daha küçük olacaktır. Bununla birlikte, kinetik olarak oluştuktan sonra alan bariyerlerine bir kuvvet uygulamak zordur. Bu maddi zorluğun üstesinden gelmemiz aciliyet arz etmektedir.
Kaynak: https://physics.aps.org/articles
