Forskare vid Rice University har visat att ett försiktigt tryck mot en kristall av järnsulfid kan förändra både dess svaga magnetiska signal och hur elektricitet rör sig genom materialet. Resultaten ger nya ledtrådar om en relativt ny klass av magnetiska material som kallas altermagneter.
I experimenten minskade två ovanliga egenskaper samtidigt när kristallen pressades ihop i en bestämd riktning. Det tyder på att materialets magnetism och elektriska beteende har ett närmare samband än forskarna tidigare har kunnat visa.
Studien kan även få betydelse för framtida teknik inom spintronik, där elektronernas magnetiska egenskaper används för att lagra och bearbeta information.
Kombinerar egenskaper från två typer av magneter
Vanliga ferromagneter, som järn, har magnetiska moment som i stor utsträckning pekar åt samma håll. Det skapar ett tydligt yttre magnetfält. I antiferromagneter pekar de magnetiska momenten i motsatta riktningar och tar därför nästan helt ut varandra.
Altermagneter kombinerar vissa egenskaper från dessa båda grupper. Deras magnetiska moment kan ta ut varandra på ett sätt som liknar antiferromagneter, samtidigt som materialens kristallstruktur påverkar elektronerna på sätt som påminner om ferromagnetiska material.
Det gör altermagneter särskilt intressanta för materialfysik och spintronik. Eftersom de saknar ett starkt yttre magnetfält kan de potentiellt användas i tätt packade elektroniska komponenter med mindre oönskad magnetisk störning.
Materialet som forskarna undersökte var en hexagonal form av järnsulfid, betecknad h-FeS. Kristallen räknas som en kandidat till altermagnetism och har en mycket liten kvarvarande magnetisering.
Elektrisk spänning uppstår i sidled
Järnsulfiden uppvisar också en så kallad spontan anomal Hall-effekt. När elektrisk ström leds genom materialet uppstår då en liten spänning vinkelrätt mot strömmens riktning, trots att inget yttre magnetfält har applicerats.
Forskarna använde en specialbyggd anordning för att utsätta kristallen för kompression i en riktning. När trycket ökade blev både den svaga magnetiseringen och den anomala Hall-signalen mindre. Den dominerande magnetiska ordningen i materialet var däremot i stort sett oförändrad.
Detta är viktigt eftersom det visar att trycket inte förstörde eller helt omvandlade materialets magnetiska struktur. I stället förändrade belastningen balansen mellan olika magnetiska orienteringar i kristallen.
Neutroner avslöjade förändringen
För att undersöka vad som hände inne i materialet använde forskarna neutronspridning vid Oak Ridge National Laboratory. Neutronerna gjorde det möjligt att studera kristallens magnetiska struktur på atomnivå.
Mätningarna visade att järnatomernas grundläggande magnetiska arrangemang fanns kvar. Däremot förändrades fördelningen mellan olika magnetiska domäner, alltså områden där de magnetiska momenten har en viss gemensam riktning.
Energin som skiljer de möjliga orienteringarna åt är mycket liten. Därför räckte en begränsad mekanisk belastning för att gynna vissa magnetiska riktningar framför andra. Det gör h-FeS ovanligt lätt att styra med hjälp av mekanisk påverkan.
Ett möjligt verktyg för framtidens spintronik
Resultaten visar ett tydligt samband mellan materialets lilla magnetiska moment och den spontana anomala Hall-effekten. Studien utesluter inte att elektronernas bandstruktur och så kallad Berry-krökning också bidrar till Hall-signalen. Däremot visar experimenten att signalen förändras tillsammans med den svaga magnetiseringen.
Möjligheten att styra båda egenskaperna genom ett enkelt mekaniskt tryck kan på sikt bli användbar inom spintronik. Sådana komponenter skulle potentiellt kunna behandla information med låg energiförbrukning och begränsad magnetisk störning.
Det handlar dock fortfarande om grundforskning. Forskarna har visat hur egenskaperna kan kontrolleras i en kristall under laboratorieförhållanden, inte presenterat en färdig elektronisk komponent. Nästa steg blir bland annat att klarlägga den mikroskopiska mekanismen bakom sambandet och undersöka om samma metod fungerar i andra altermagnetiska material.
Studien om h-FeS har publicerats i tidskriften Advanced Materials. Resultaten sammanfattas även av Rice University.