Datamaskiner i fremtiden kan komme til å bruke mer enn den elektriske ladningen i elektronene. Forskere undersøker nå om elektronets spinn – en annen grunnleggende egenskap – kan brukes til å flytte og behandle informasjon i elektroniske komponenter.

Vanlig elektronikk håndterer data ved hjelp av elektrisk strøm. Dersom elektronspinn også kan styres på en pålitelig måte, kan det gi nye metoder for databehandling som både er raskere og bruker mindre energi.

En forskergruppe ledet av fysikkprofessor Madhab Neupane ved University of Central Florida (UCF) har funnet eksperimentelle tegn på altermagnetisme i materialet Co1/4TaSe2. Altermagnetisme er en relativt nylig anerkjent form for magnetisme som kombinerer egenskaper fra ferromagnetisme og antiferromagnetisme.

En kombinasjon av to magnetiske egenskaper

Ferromagnetisme er den typen magnetisk oppførsel de fleste kjenner fra vanlige magneter. I et ferromagnetisk materiale peker de magnetiske momentene i samme retning, og materialet får et samlet magnetfelt.

Denne egenskapen kan være nyttig i elektroniske teknologier, men ferromagneter har også en ulempe. De kan skape uønskede magnetfelt rundt seg. Når elektroniske enheter blir mindre og komponentene pakkes tettere, kan slike felt forstyrre andre deler av systemet.

Antiferromagneter fungerer annerledes. Der peker de magnetiske momentene i motsatt retning, slik at de i stor grad opphever hverandre. Resultatet er langt svakere magnetiske lekkasjefelt. Samtidig mangler antiferromagneter enkelte av de elektroniske egenskapene som gjør ferromagneter interessante for teknologisk bruk.

Altermagneter kan ha fordeler fra begge kategoriene. De kan, i likhet med antiferromagneter, fungere uten å skape uønskede magnetfelt. Samtidig kan de generere og oppdage spinnstrømmer – altså bevegelse av elektronspinn gjennom et materiale.

Forskere undersøker om slike spinnstrømmer etter hvert kan brukes til å transportere informasjon i nye elektroniske systemer. I motsetning til elektrisk ladning handler spinnstrømmer om hvordan elektronets spinn organiseres og beveger seg gjennom materialet.

«Disse materialene skiller seg fra mer konvensjonelle antiferromagneter ved at de kan generere og oppdage spinnstrømmer uten den negative effekten av å skape lekkasjefelt», sier Neupane.

Han mener egenskapen gjør materialene godt egnet for en rekke mulige bruksområder, blant annet spintronikk, ultraraske minneenheter, terahertzdatanettverk og energieffektiv elektronikk.

Studerte hvordan elektronene oppførte seg

For å undersøke om Co1/4TaSe2 faktisk viste altermagnetisme, analyserte forskerne hvordan elektronene oppførte seg inne i materialet.

De brukte vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi, kjent som ARPES. Metoden gjør det mulig å måle energien og bevegelsen til elektroner og rekonstruere materialets elektroniske struktur.

«Vi brukte metoder med høyere oppløsning som ikke var følsomme for elektronets spinn, for å måle oppsplittingen i energinivåene», sier Neupane.

Forskerne kombinerte deretter målingene med spinnoppløst ARPES. På den måten kunne de undersøke om egenskapene stemte med det som forventes ved altermagnetisme.

De første målingene viste en karakteristisk oppsplitting i materialets elektroniske bånd. En nærmere analyse viste at de separerte elektroniske tilstandene hadde motsatt spinnpolarisering. Det er et viktig kjennetegn forskerne forventer å finne ved altermagnetisme.

Målingene var imidlertid krevende. Fotoemisjonsteknikker er svært følsomme for overflateforhold, og selv små mengder forurensning kan skjule signalene forskerne forsøker å måle.

Samarbeidspartnere laget prøver av Co1/4TaSe2 med høy kvalitet. Neupanes gruppe kontrollerte deretter overflatene nøye for å sikre at de var spesielt rene før materialets elektroniske egenskaper ble kartlagt.

«Betydningen ble tydelig da de eksperimentelle målingene gang på gang stemte med de teoretiske forutsigelsene våre», sier Neupane.

Ifølge forskeren ga samsvaret mellom de uavhengige målingene større trygghet for at gruppen hadde identifisert en ekte, lagdelt altermagnet.

Et materiale som kan bygges om

Co1/4TaSe2 består av svært tynne ark som ligger stablet oppå hverandre. Lagene er bare svakt bundet sammen, slik at forskere kan skille dem fra hverandre og sette dem sammen i svært tynne strukturer.

Dette gjør lagdelte materialer interessante for tynnfilmkomponenter og annen fremvoksende elektronikk. Materialklassen kalles overgangsmetalldikalkogenider, eller TMD-er.

I Co1/4TaSe2 bidrar magnetiske koboltatomer mellom lagene til materialets uvanlige magnetiske egenskaper. Den lagdelte strukturen gir samtidig forskerne betydelig kontroll over materialet. De kan endre det og undersøke hvordan endringene påvirker både de elektroniske og magnetiske egenskapene.

Forskerne ville også finne ut hvor de elektroniske signalene knyttet til altermagnetisme oppsto. Før forsøkene var det uklart om de viktigste egenskapene i lagdelte materialer hovedsakelig kom fra overflaten eller fra dypere inne i materialet.

Målingene tydet på at den relevante elektroniske tilstanden i hovedsak stammet fra selve materialet, og viste tydelige tegn på altermagnetisk orden.

«Bevis på altermagnetisme i en allsidig materialplattform åpner mange nye muligheter», sier Milo Sprague, som er førsteforfatter og doktorgradsforsker i prosjektet.

Sprague peker på at det fortsatt pågår en omfattende teoretisk diskusjon om hvordan spinnpolariserte elektroniske tilstander samspiller med andre magnetiske fenomener. Det nye materialet kan endres relativt enkelt, slik at forskerne kan undersøke disse spørsmålene nærmere.

Mulig betydning for spintronikk

Nesten all konvensjonell elektronikk er avhengig av elektronladning for å overføre og behandle informasjon. Elektroner har imidlertid også spinn, og forskere håper å kunne utnytte denne egenskapen i datateknologi.

Forskningsfeltet som bruker elektronspinn i elektroniske enheter, kalles spintronikk. Altermagneter er særlig interessante på dette området fordi de kan skape og oppdage spinnstrømmer uten de forstyrrende lekkasjefeltene som forbindes med konvensjonelle ferromagneter.

«Ettersom elektroniske enheter stadig blir mindre, trenger forskere nye materialer som kan fungere raskere og samtidig bruke mindre energi», sier Neupane.

Lagdelte materialer undersøkes allerede for bruksområder fra svært små transistorer til optisk teknologi og annen avansert elektronikk. Parallelt ser forskere på hvordan spinnstrømmer kan brukes til å transportere digital informasjon.

Lagdelte altermagneter kan i prinsippet knytte disse to forskningsområdene sammen. De svært tynne og justerbare strukturene kan gjøre det mulig å kontrollere elektronspinn, samtidig som man unngår den magnetiske forstyrrelsen som vanlige magneter kan skape.

«Hvis denne tilnærmingen viser seg å være levedyktig, vil lagdelte altermagneter ligge helt i front av utviklingen innen elektronikk», sier Neupane.

Dette er likevel foreløpig en mulig teknologisk retning, ikke en ferdig løsning for datamaskiner. Studien gir først og fremst forskerne et materiale de kan bruke til å undersøke hvordan altermagnetisme oppstår, og hvordan den kan utnyttes.

Flere grunnleggende spørsmål står åpne

Forskerne forstår fortsatt ikke fullt ut hvorfor denne uvanlige magnetiske tilstanden oppstår, hvorfor den i noen tilfeller favoriseres fremfor andre magnetiske ordninger, eller hvordan den oppfører seg under ulike forhold.

De konkurrerende ordningene omfatter blant annet ferromagnetisme og andre former for antiferromagnetisme. Teoretiske beregninger tyder på at konkurrerende vekselvirkninger mellom elektroner kan påvirke hvilken type magnetisk orden som utvikler seg.

Nå forsøker forskerne å finne ut hvor godt disse teoriene beskriver det som faktisk skjer i virkelige materialer.

«Det finnes mange detaljer i teorien om hvordan altermagneter fungerer, som ennå ikke er undersøkt eller bekreftet», sier Neupane.

Ifølge Neupane har forskerne nå identifisert flere materialplattformer som kan brukes til å besvare spørsmålene, og mer avanserte studier av materialene er allerede i gang.

Fordi Co1/4TaSe2 kan endres samtidig som forskerne følger med på hvordan egenskapene reagerer, kan materialet bli et viktig forsøksområde for videre forskning. Her kan forskerne studere altermagnetisme og samspillet med andre magnetiske og elektroniske effekter.

Arbeidet er støttet av USAs energidepartement, Office of Science, gjennom bevilgning DE-SC0024304.