altermagnetisme

De aller fleste magnetiske materialer er enten ferromagnetiske eller antiferromagnetiske. Ferromagnetiske materialer vises til venstre i figur (a): de har en netto magnetisering og spinn-polariserte elektronbånd. Antiferromagnetiske materialer vises til høyre i figur (a): de har ingen netto magnetisering, og elektronbåndene viser ingen spinn-polarisering. Det betyr at begge elektronspinn har samme energi, uansett hvilken retning elektronene beveger seg i.

Altermagnetisme kan strengt tatt klassifiseres som en type antiferromagnetisme, siden materialet ikke fremviser noen netto magnetisering. Altermagneter skiller seg likevel betydelig fra konvensjonelle antiferromagneter, siden elektronbåndene nå er spinn-polariserte, som vist i figur (c).

Det er verdt å understreke at den spinn-polariseringen som opptrer i altermagneter, vist til høyre i figur (b), har en fundamentalt annerledes opprinnelse enn den som opptrer på grunn av spinn-bane-kobling i materialer som mangler inversjonssymmetri, vist til venstre i figur (b). Sistnevnte er en relativistisk effekt, noe som gjør at spinn-polariseringen typisk blir liten. I motsetning oppstår spinn-polariseringen i altermagnet på ikke-relativistisk vis, og dette gjør polariseringen mye større. I figuren angir aksene k_x og k_y impulsen til elektronene i ulike retninger.

Hvorvidt et materiale oppfører seg som en vanlig antiferromagnet eller som en altermagnet kan avgjøres basert på geometrien til krystallgitteret og de tilhørende lokaliserte spinnene til et materiale. I en antiferromagnet vil materialet forbli uendret dersom man utfører en tidsinversjon (kalt T i figuren) samt forskyver alle atomene med et punkt bortover (kalt t i figuren), som vist nede til venstre i figur (b). I en altermagnet som RuO₂ vil materialet istedet være uendret dersom spinnene roteres 180 grader (kalt C₂ i figuren) kombinert med en 90 graders rotasjon av gitteret (kalt C₄ i figuren). Ved å bruke matematisk gruppeteori kan man vise at denne symmetrien til krystallstrukturen er forenlig med den unike spinn-polariseringen til elektronbåndene i en altermagnet.

Altermagnetiske representerer en type magnetisme som er en analogi til høy-temperatur superledning. Vanlige lav-temperatur-superledere er typisk karakterisert av en ordensparameter som er helt uavhengig av retningen elektronene beveger seg i. På samme vis er spinn-polariseringen i vanlige ferromagneter uavhengig av bevegelsesretningen til elektronene. Dette vises i øverste rad i (c). I høy-temperatur-superledere vil ordensparameteren variere både i størrelse og fortegn, karakterisert av en såkalt d-bølge-symmetri, avhengig av retningen elektronene beveger seg i. På samme vis er altermagnetisme en type d-bølge-magnetisme: spinn-polariseringen til elektronene endrer seg både i størrelse og fortegn avhengig av bevegelsesretningen til elektronene. Dette vises i nederste rad av figur (c).

En rekke materialer har blitt predikert til å fremvise altermagnetisme. Dette gjelder både metaller, som RuO₂ and Mn₅Si₃, og halvledende/isolerende materialer, slik som MnF₂ and La₂CuO₄. Per 2023 har altermagnetisme blitt eksperimentelt observert i blant annet RuO₂ og MnTe.

Magnetiske materialer benyttes innen mange typer teknologi. Ferromagnetiske materialer har historisk sett blitt brukt teknologisk i mye større grad enn antiferromagnetiske materialer, og de danner selve fundamentet for anretninger som elektriske motorer, harddisker, elektromagneter, samt generatorer.

Siden rundt 2010 har antiferromagnetiske materialer fått stadig mer oppmerksomhet med tanke på mulige teknologiske anvendelser som baserer seg på elektronspinn. Dette forskes på innen feltet spinntronikk. Altermagnetiske materialer har egenskaper til både ferromagnetiske materialer (spinn-polarisering) og antiferromagnetiske materialer (ingen netto magnetisering), og dette åpner nye muligheter innenfor potensielle anvendelser.

En slik mulighet knyttes til fordelen med at elektronene er spinn-polariserte, slik at de kan benyttes innenfor spintronikk-anvendelser som MRAM (magnetoresistive random access memory) basert på spinn-overføring, samtidig som materialet ikke har noen magnetisering og dermed ikke vil forstyrre magnetiske komponenter i nærheten med et magnetisk felt.

• spinntronikk
• ferromagnetisme
• antiferromagnetisme
• magnetisme