Ilmuwan Membuktikan Keberadaan Magnet Jenis Baru

Cabang magnet ketiga telah dibuktikan secara eksperimental pada telurida mangan, sehingga membuka peluang untuk arah penelitian baru.

Sebuah penelitian terbaru yang diterbitkan di Alami mengungkapkan bahwa tim ilmuwan internasional telah menantang pembagian konvensional magnetisme menjadi dua jenis: feromagnetisme, yang dikenal selama ribuan tahun, dan antiferromagnetisme, yang diidentifikasi sekitar satu abad yang lalu. Para peneliti kini telah berhasil mendemonstrasikan, melalui eksperimen langsung, jenis magnetisme ketiga—altermagnetisme—yang secara teoritis telah diprediksi oleh para ilmuwan dari Universitas Johannes Gutenberg Mainz dan Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko di Praha beberapa tahun sebelumnya.

Keterbatasan cabang ilmu magnet untuk teknologi informasi telah diketahui sebelumnya

Magnet biasanya kita anggap sebagai feromagnet, yang memiliki medan magnet kuat yang menahan daftar belanjaan di pintu lemari es atau mengaktifkan fungsi motor listrik pada mobil listrik. Medan magnet feromagnet tercipta ketika medan magnet jutaan atom disejajarkan pada arah yang sama. Medan magnet ini juga dapat digunakan untuk memodulasi arus listrik pada komponen teknologi informasi (IT).

Namun, pada saat yang sama, medan feromagnetik menimbulkan keterbatasan serius terhadap skalabilitas spasial dan temporal komponen. Oleh karena itu, fokus penelitian yang signifikan dalam beberapa tahun terakhir adalah pada cabang kedua magnetisme, antiferromagnetik. Antiferromagnet adalah bahan yang kurang dikenal namun lebih umum di alam, dimana arah medan magnet atom pada atom yang berdekatan tidak beraturan seperti warna putih dan hitam pada kotak-kotak. Jadi, antiferromagnet secara keseluruhan tidak menciptakan medan magnet yang tidak diinginkan, namun sayangnya antiferromagnetik sehingga belum ditemukan aplikasi aktifnya dalam teknologi informasi.

Altermagnet menggabungkan keunggulan yang “tidak kompatibel”.

Altermagnet yang diprediksi baru-baru ini menggabungkan keunggulan feromagnet dan antiferromagnet, yang dianggap pada dasarnya tidak kompatibel, dan juga memiliki manfaat unik lainnya yang tidak ditemukan di cabang lain. Altermagnet dapat dianggap sebagai susunan magnet yang tidak hanya mengubah momen atom pada atom tetangganya, tetapi juga orientasi atom dalam kristal. Jadi, altermagnet tidak menciptakan medan magnet di luar, tetapi elektron di dalamnya merasakan medan magnet yang efektif 1.000 kali lebih kuat daripada medan magnet di lemari es. Bidang-bidang ini dapat memodulasi arus listrik mirip dengan feromagnet dan dengan demikian berpotensi sangat menarik untuk aplikasi nanoelektronik ultrascalable di masa depan.

Selain itu, para ilmuwan telah mengidentifikasi lebih dari 200 kandidat bahan altermagnetisme dengan sifat-sifat termasuk isolator, semikonduktor, logam, dan bahkan superkonduktor. Kelompok penelitian telah menyelidiki banyak bahan-bahan ini di masa lalu, namun sifat altermagnetiknya masih tersembunyi dari mereka.

Para ahli teori memperkirakan cabang altermagnetik lima tahun lalu

Mulai tahun 2019, tim dari Universitas Johannes Gutenberg Mainz dan Institut Fisika di Praha menerbitkan serangkaian makalah yang secara teoritis mengidentifikasi bahan magnetik nonkonvensional. Pada tahun 2021, tim yang sama yang terdiri dari Dr. Libor Šmejkal, Profesor Jairo Sinova, dan Profesor Tomas Jungwirth memperkirakan bahwa bahan-bahan ini membentuk tipe dasar magnetisme ketiga, yang mereka sebut altermagnetisme dan yang struktur kristal dan magnetiknya benar-benar berbeda dari feromagnet konvensional dan antiferromagnet. .

Karena altermagnetisme membuka kemungkinan penelitian dan penerapan yang luas dan belum pernah terjadi sebelumnya, segera setelah prediksi teoretis ini muncul gelombang studi lanjutan oleh kelompok penelitian dari seluruh dunia. Berikutnya, pertanyaannya adalah kapan bukti eksperimental langsung akan tersedia.

Bukti eksperimental dilakukan pada bahan yang selama beberapa dekade dianggap sebagai “antiferromagnet klasik”

Sebuah tim peneliti internasional kini telah memberikan bukti tersebut dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Alami. Para peneliti memutuskan untuk memeriksa kristal dari kandidat altermagnetik dua elemen sederhana – mangan tellurida (MnTe). Secara tradisional, bahan ini dianggap sebagai salah satu antiferromagnet klasik karena momen magnet pada atom mangan di dekatnya mengarah ke arah yang berlawanan, sehingga tidak menimbulkan medan magnet luar di sekitar bahan.

Kini, untuk pertama kalinya, para ilmuwan mampu mendemonstrasikan secara langsung sifat altermagnetisme MnTe. Mereka menggunakan prediksi teoretis untuk menavigasi ke arah mana “cahaya” akan “bersinar” pada kristal MnTe berkualitas tinggi dalam eksperimen fotoemisi. Tim mengukur struktur pita, yaitu peta yang digunakan fisikawan untuk menggambarkan sifat elektron dalam kristal, pada sinkrotron. Mereka kemudian mampu menunjukkan bahwa meskipun tidak ada medan magnet eksternal, keadaan elektronik di MnTe sangat terfragmentasi. Skala dan bentuk pemisahan putaran sangat sesuai dengan prediksi pemisahan altermagnetik menggunakan perhitungan mekanika kuantum.

Selain itu, para peneliti dapat mendeteksi pita spin-polarisasi untuk pertama kalinya. “Ini adalah bukti langsung bahwa MnTe bukanlah antiferromagnet konvensional atau feromagnet konvensional, namun termasuk dalam cabang baru bahan magnet altermagnetik,” kata Dr. Libor Šmejkal dari JGU, penulis utama bagian teoritis makalah ini.

Studi ini memanfaatkan keahlian para peneliti di Institut Fisika di Universitas Johannes Gutenberg Mainz di Jerman bekerja sama dengan para ilmuwan dari Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko di Praha, Institut Paul Scherrer di Swiss, Universitas West Bohemia di Pilsen, Universitas dari Linz di Austria, itu Universitas Nottingham di Inggris, dan Universitas Charles di Praha.

Penemuan altermagnetisme membuka arah penelitian baru

“Setelah prediksi pertama dan dengan pesatnya pertumbuhan minat dunia terhadap altermagnetisme, kami sangat senang dapat berkontribusi pada demonstrasi eksperimental MnTe,” kata Dr. Libor Šmejkal dari Universitas Mainz.

Profesor Jairo Sinova, direktur kelompok Interdisciplinary Spintronics Research Group (INSPIRE) dan Spin Phenomena Interdisciplinary Center (SPICE) di JGU dan salah satu penulis studi tersebut, menambahkan: “Penemuan altermagnetisme telah memulai arah baru dalam penelitian global. menjadi prinsip fisik dan material baru untuk komponen TI yang sangat skalabel dan hemat energi.” Hebatnya, bidang ini sedang memanas dan beberapa penelitian lain telah muncul baru-baru ini yang mengkonfirmasi berbagai sifat lain dari bahan altermagnetik. Penemuan altermagnetisme nampaknya hanyalah awal dari era baru magnetisme yang menarik.

Referensi: “Pengangkatan alternatif degenerasi spin Kramers” oleh J. Krempaský, L. Šmejkal, SW D'Souza, M. Hajlaoui, G. Springholz, K. Uhlířová, F. Alarab, PC Constantinou, V. Strocov, D. Usanov , WR Pudelko, R. González-Hernández, A. Birk Hellenes, Z. Jansa, H. Reichlová, Z. Šobán, RD Gonzalez Betancourt, P. Wadley, J. Sinova, D. Kriegner, J. Minár, JH Dil dan T.Jungwirth, 14 Februari 2024, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-023-06907-7