Antiferromagnetisch materiaal gedraagt zich ferromagnetisch

Antiferromagnetisch materiaal dat zich ferromagnetische gedraagt. Dat blijkt te realiseren door herordening van de elektrospins.

Bij magnetisme denken we meestal aan materialen zoals ijzer, nikkel of kobalt die permanente magnetische velden genereren of worden aangetrokken door magnetische krachten. In deze ferromagnetische materialen bewegen de spins, dat wil zeggen de momenten van alle elektronen, in dezelfde richting.

Antiferromagnetische materialen daarentegen lijken geen magnetisch effect te hebben, omdat de magnetische krachten en de elektrische geleidbaarheid van de individuele atomen elkaar neutraliseren – de spins van naburige elektronen wijzen in tegengestelde richtingen.

Recente ontwikkelingen hebben echter aangetoond dat antiferromagneten, afhankelijk van de combinatie van hun magnetische en elektronische ordening, ferromagnetische eigenschappen kunnen aannemen.

Een dergelijk materiaal is nu ontwikkeld door onderzoekers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) in Japan, de Universiteit van Tokio en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

In dit materiaal gedragen de elektronen zich alsof hun spins gesplitst zijn, wat een aanzienlijk effect heeft op hun beweging. In deze p-golfmagneet, die een combinatie is van verschillende metalen, ordenen de spins zich in een evenredige helix. Daardoor wordt de elektrische stroom die erdoorheen stroomt lateraal afgebogen.

De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Magnetisatie roteert 360 graden

“De magnetisatie maakt een volledige rotatie van 360 graden over een lengte van slechts zes atoomroosterpunten, waarbij aangrenzende atomen bijna precies 60 graden van elkaar verwijderd zijn”, aldus Jan Masell van het Institute of Theoretical Solid-State Physics van het KIT.

“Bovendien vertoont ons materiaal een zeer lage magnetisatie die net meetbaar is, oftewel een beetje ferromagnetisme – dit betekent dat de helix niet perfect is.”

Deze minimale afwijking veroorzaakt een fenomeen dat meestal optreedt in combinatie met een sterk magnetisch veld of een hoge magnetisatie: een enorm anomaal Hall-effect. Elektronen die normaal gesproken in een rechte lijn door een materiaal bewegen, worden lateraal afgebogen door de interne structuur van alleen de p-golfmagneet.

“We konden ook aantonen dat de helixstructuur binnen de magnetisatie kan worden gedraaid – dit betekent dat het effect van de p-golfmagneet kan worden omgeschakeld. Bovendien hangt de elektrische weerstand sterk af van de oriëntatie van de helix.”

Fundamenteel onderzoek biedt nieuwe mogelijkheden

Dit fundamentele onderzoek zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor de informatietechnologie: de metalen p-golfmagneet zou bijvoorbeeld de basis kunnen vormen voor snellere, kleinere en energiezuinigere computerchips. Tegelijkertijd biedt het een platform voor het onderzoek naar spin-elektronische toestanden, bijvoorbeeld in magneten of supergeleiders.