In un nuovo studio, gli scienziati hanno studiato la classe di materiali altermagnetici appena scoperta per le loro proprietà termiche, offrendo approfondimenti sulla natura distintiva degli altermagneti per applicazioni spin-caloritroniche.
Il magnetismo è un argomento vecchio e ben studiato, che si presta a molte applicazioni, come motori e trasformatori. Tuttavia, vengono studiati e scoperti nuovi materiali e fenomeni magnetici, uno dei quali sono gli altermagneti.
Gli altermagneti presentano una miscela unica di caratteristiche magnetiche, che li distingue dai materiali magnetici convenzionali come ferromagneti e antiferromagneti. Questi materiali mostrano proprietà osservate sia nei ferromagneti che negli antiferromagneti, rendendo il loro studio allettante.
La ricerca attuale, pubblicata in Physical Review Letters , esplora le proprietà termiche degli altermagneti ed è stato guidato dal Prof. Wanxiang Feng e dal Prof. Yugui Yao del Beijing Institute of Technology.
Parlando della loro motivazione dietro l'esplorazione degli altermagneti, il Prof. Feng ha detto a Phys.org:"Il magnetismo è un argomento antico e affascinante nella fisica dello stato solido. Durante l'esplorazione dei magneti non collineari negli ultimi decenni, abbiamo incontrato un nuovo tipo di magnete collineare, l'altermagnete."
Il Prof. Yao ha aggiunto:"Con una duplice natura che somiglia sia ai ferromagneti che agli antiferromagneti, gli altermagneti ci hanno incuriosito con il potenziale di nuovi effetti fisici. La nostra motivazione derivava dal desiderio di comprendere e sbloccare le proprietà uniche di questi materiali magnetici."
Le proprietà magnetiche emergono dal comportamento degli atomi, in particolare dalla disposizione e dal movimento degli elettroni all'interno di un materiale.
"Nei materiali magnetici, a causa dell'interazione di scambio tra atomi, i momenti magnetici di spin si dispongono paralleli o antiparalleli, formando rispettivamente i più comuni ferromagneti e antiferromagneti, studiati da oltre un secolo," ha spiegato il Prof. Feng.
Gli altermagneti sfidano le norme convenzionali incarnando una doppia natura:somigliano agli antiferromagneti con magnetizzazione netta pari a zero e ai ferromagneti con suddivisione dello spin non relativistica.
Negli altermagneti, l'ordine magnetico antiparallelo collineare si combina con la suddivisione dello spin non relativistica, risultando in una magnetizzazione netta pari a zero simile agli antiferromagneti e alle dinamiche di spin ferromagnetiche simultaneamente.
Questo comportamento unico emerge dall'intricata interazione degli atomi all'interno della struttura cristallina. Ad esempio, il biossido di rutenio, oggetto di questa ricerca, mostra la degenerazione dello spin indotta da atomi di ossigeno non magnetici, rompendo le simmetrie spaziali e temporali. Ciò porta alle proprietà magnetiche uniche del materiale.
Inoltre, gli altermagneti mostrano una polarizzazione di spin unica. Il termine "polarizzazione dello spin" significa che una preponderanza di spin elettronici tende ad allinearsi in una direzione particolare.
La polarizzazione dello spin è degna di nota negli altermagneti perché si verifica nella disposizione fisica degli atomi (spazio reale) e nello spazio della quantità di moto, dove viene considerata la distribuzione degli spin degli elettroni nel materiale.
I ricercatori si sono concentrati sullo studio dell'emergere degli effetti Hall cristallini Nernst e cristallini nel biossido di rubidio (RuO2 ), scelto come vetrina rappresentativa dell'altermagnetismo.
L'effetto cristallino Nernst (CNE) osservato negli altermagneti è il risultato della loro natura magnetica distintiva. In termini semplici, poiché il materiale sperimenta una differenza di temperatura attraverso le sue dimensioni, ciò porta alla comparsa di una tensione perpendicolare sia al gradiente di temperatura che al campo magnetico. Questo fenomeno rivela che le proprietà magnetiche del materiale influenzano la sua risposta ai cambiamenti di temperatura, fornendo informazioni sull'intricata connessione tra comportamenti termici e magnetici negli altermagneti.
Negli altermagneti, questo effetto è significativamente influenzato dalla direzione del vettore Néel, che rappresenta la direzione in cui si allineano i momenti magnetici vicini. Ciò aggiunge un ulteriore livello di complessità alla risposta termica.
Allo stesso modo, l’effetto Hall cristallino termico (CTHE) fa luce su come il calore si muove negli altermagneti. Come il tradizionale effetto Hall termico, si verifica perpendicolarmente al gradiente di temperatura e al campo magnetico. Negli altermagneti, il CTHE mostra variazioni significative a seconda della direzione del vettore Néel. Questa anisotropia è un fattore centrale per comprendere il comportamento di trasporto termico unico dei materiali altermagnetici.
Proprietà termiche di RuO2
La metodologia di ricerca ha utilizzato una duplice strategia, combinando analisi di simmetria e calcoli all'avanguardia basati sui principi primi, per svelare le proprietà di trasporto termico di RuO2 . L'analisi della simmetria ha svolto un ruolo cruciale nello svelare le ragioni fondamentali dietro l'emergere dell'altermagnetismo.
Attraverso due operazioni di simmetria che coinvolgono l'inversione spaziale, l'inversione del tempo e la traslazione del reticolo, lo studio ha mostrato l'intricata interazione degli atomi all'interno della struttura cristallina, dimostrando come gli atomi di ossigeno non magnetici inducano una divisione dello spin non relativistica nelle bande di energia.
Questo processo ha portato alla rottura della simmetria cristallina di inversione temporale, dando origine a distinte proprietà di trasporto termico del cristallo.
"Attraverso un'analisi dettagliata, abbiamo identificato tre meccanismi fisici che contribuiscono al trasporto termico dei cristalli:linee pseudo-nodali di Weyl, piani pseudo-nodali altermagnetici e transizioni a scala altermagnetica", ha affermato il prof. Yao.
In termini semplici, le linee pseudo-nodali di Weyl sono percorsi che guidano il calore all'interno del materiale, i piani pseudo-nodali altermagnetici possono essere rappresentati come zone designate che influenzano il flusso di calore, e le transizioni a scala altermagnetica possono essere pensate come il modo in cui il materiale risale un percorso di calore. scala.
Questi risultati sono entusiasmanti poiché svolgono un ruolo significativo nel modo in cui il calore viaggia all'interno degli altermagneti.
I ricercatori hanno scoperto una legge di Wiedemann-Franz estesa in RuO2 , collegando le insolite caratteristiche di trasporto termico ed elettrico del materiale. Contrariamente alle aspettative convenzionali, questa legge estesa opera su un intervallo di temperature più ampio, che si estende oltre i 150 Kelvin.
I ricercatori ritengono che gli altermagneti potrebbero avere un ruolo fondamentale nella caloritronica dello spin, un campo di ricerca che esplora l’interazione tra spin e flusso di calore, che non è ottenibile con i ferromagneti o gli antiferromagneti. Questo campo ha potenziali applicazioni nello sviluppo di nuove tecnologie per l'elaborazione e l'archiviazione delle informazioni.
"I materiali altermagnetici con ordine magnetico collineare antiparallelo mostrano dinamiche di spin più veloci e una sensibilità inferiore ai campi magnetici vaganti rispetto ai materiali ferromagnetici. Ciò li rende promettenti per ottenere una densità di stoccaggio più elevata e dispositivi caloritronici con spin più rapidi", ha spiegato il prof. Feng.
In futuro i ricercatori intendono anche studiare il trasporto termico dei cristalli di ordine superiore e gli effetti magneto-ottici.
A proposito di questo, il Prof. Yao ha detto:"Siamo curiosi delle differenze nel trasporto termico cristallino di ordine superiore e negli effetti magneto-ottici di ordine superiore negli altermagneti rispetto agli antiferromagneti o ai ferromagneti. Siamo nelle fasi iniziali di questa tecnologia e c'è un lungo viaggio da percorrere prima che diventi praticamente realizzabile."
Ulteriori informazioni: Xiaodong Zhou et al, Trasporto termico dei cristalli nella RuO2 altermagnetica, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.056701. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.01410
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