Ett forskarteam under ledning av Ryo Shimano från Tokyos universitet har lyckats visualisera två olika mekanismer genom vilka upp- och nedspinn, elektroners inneboende egenskaper, växlar i ett antiferromagnetiskt material, ett material där spinnriktningarna neutraliserar varandra.
En av de visualiserade mekanismerna ger en arbetsprincip för utveckling av ultrasnabba, icke-flyktiga magnetiska minnes- och logikkomponenter, som kan vara mycket snabbare än dagens teknik.
Resultaten publiceras i tidskriften Nature Materials.
Papperslappar med hål, små metallstavar, vakuumrör och transistorer: Detta är tekniker som har använts för att koda 0:or och 1:or, grunden för klassisk databehandling. Men världens ständigt växande databehov kräver ännu kraftfullare verktyg. Antiferromagneter är en klass av material vars magnetiska egenskaper, eller brist på sådana, kan utnyttjas för att koda 0:or och 1:or på ett nytt sätt.
”Under många år trodde forskare att antiferromagneter som Mn₃Sn kunde växla magnetisering extremt snabbt”, säger Shimano. ”Det var dock oklart om denna icke-flyktiga växling kunde slutföras inom några till flera tiotals pikosekunder eller hur magnetiseringen egentligen förändrades under växlingsprocessen.”
Den största frågan om mekanismen var om den drevs av värmen som alstrades av den elektriska strömmen eller av strömmen i sig. Forskarna bestämde sig därför för att hitta svaret på denna fråga genom att visualisera mekanismen.
De förberedde ett tunt skikt av Mn3Sn och skickade korta elektriska pulser genom det. Sedan försökte de, med hjälp av exakt kontrollerade ultrasnabba ljusblixtar med varierande fördröjningar jämfört med den elektriska pulsen, skapa en ”tidsfördröjd bild” av förändringen i magnetiseringen.
”Det mest utmanande med projektet var att mäta de oändligt små förändringarna i det magneto-optiska signalen. Men vi blev förvånade över hur tydligt vi till slut kunde observera omkopplingsprocessen när vi väl hade hittat rätt metod”, säger Shimano.
Resultatet var något som aldrig tidigare hade setts: en bildruta för bildruta-visualisering av förändringen i det magnetiska mönstret. Bilderna visade att omkopplingen sker i två olika processer beroende på strömmens amplitud: en som drivs av en termisk process under hög ström och en annan som drivs utan betydande uppvärmning under svag ström. Den senare processen kan utgöra grunden för tillämpningar i utvecklingen av tillförlitliga nästa generations spintroniska enheter för databehandling, kommunikation och avancerad elektronik.
För Shimano betyder detta en sak: gränserna för kunskapen väntar på att utvidgas.
”Vår nuvarande snabbaste tidsupplösta observation av elektrisk omkoppling i Mn₃Sn är 140 pikosekunder, främst begränsad av hur korta strömpulser som kan genereras i vår enhetskonfiguration. Våra resultat tyder dock på att materialet i sig skulle kunna växla ännu snabbare under lämpliga förhållanden. I framtiden siktar vi på att utforska dessa yttersta gränser genom att skapa ännu kortare strömpulser och optimera enhetens struktur.”
Mer information: Ultrasnabb tidsupplöst observation av icke-termisk ströminducerad omkoppling i ett antiferromagnetiskt Weyl-halvmetall, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02402-8
