Svag orbital ferromagnetism i altermagneter

För ett par år sedan introducerades en ny typ av magnetiska material, så kallade altermagneter, som är ett kvantmaterial med både ferromagnetiska och antiferromagnetiska egenskaper. I ferromagnetiska material ordnar sig de atomära magneterna i materialet spontant åt samma håll och parallellt med varandra och materialet bli magnetiskt. I antiferromagnetiska material ordnar sig atomerna däremot antiparallellt och materialet blir i sin helhet omagnetiskt.

Altermagneter har, liksom antiferromagneter, antiparallella magnetiska atomer, men skiljer sig åt från antiferromagneter genom kristallstrukturen kring de magnetiska atomerna. Om man skulle rotera kristallstrukturen, till exempel 180 grader, kring en av de magnetiska atomerna i en vanlig antiferromagnet, skulle man få samma struktur som kring övriga magnetiska atomer i materialet. Skulle man däremot rotera kristallstrukturen på motsvarande sätt i en altermagnet, skulle den roterade kristallstrukturen skilja sig åt mot den icke-roterade.

Denna rotationsskillnad mellan altermagneter och antiferromagneter innebär också en skillnad i energi mellan spinn upp och spinn ner för de elektroner som rör sig i altermagneter, medan energin för spinn upp och spinn ner i antiferromagneter är samma. Att elektronernas spinn är beroende av kristallstrukturen gör altermagneter lämpliga kvantmaterial med väldigt intressanta egenskaper för elektriskt kvanttransport och även okonventionell transport genom spinnvågor.

Altermagneter reagerar också på yttre magnetiska fält på motsvarande sätt som ferromagneter, men svagare. Orsaken till detta beteende i altermagneter har dock hittills varit okänt.

Svaga ferromagnetiska material upptäcktes redan för 65 år sedan och fysikerna Dzyaloshinskii och Moriya introducerade Dzyaloshinskii-Moriya-växelverkan, som kunde förklara hur svag ferromagnetism uppstår i olika material. Deras teori kunde dock inte förklara hur svag ferromagnetism uppstår för alla altermagneter.

Grunden för Dzyaloshinskii-Moriya-växelverkan skiljer sig fundamentalt åt från det som karakteriserar altermagneter, både vad gäller deras antiferromagnetiska egenskaper att atomerna ordnar sig antiparallellt och vad gäller kristallstrukturrotationen. I flera altermagneter är även Dzyaloshinskii-Moriya-växelverkan matematiskt förbjuden.

Daegeun Jo och Peter Oppeneer vid Uppsala universitet har nu i ett internationellt samarbete hittat en förklaring till altermagneternas svaga ferromagnetiska reaktioner på yttre magnetiska fält.

Det forskarna upptäckt är att det uppstår olika orbitala moment på atomer i altermagneter på grund av kristallstrukturen kring de magnetiska atomerna, som inte tar ut varandra och ger en svag orbital ferromagnetisk respons. Forskarna kunde också beräkna att den svaga orbitala responsen är större än den sedan tidigare kända antisymmetriska Dzyaloshinskii-Moriya spinnresponsen i en hel del material. Detta kan härigenom ge en alternativ förklaring för hur svag ferromagnetism uppstår i altermagneter.

– Det är överraskande att vi sextiofem år efter Dzyaloshinskii och Moriya har hittat en annan mekanism för att förklara svag ferromagnetism som även kan vara större än den redan etablerade Dzyaloshinskii-Moriya-växelverkan i flera material, säger Daegeun Jo, postdoktor vid Institutionen för fysik och astronomi.

Camilla Thulin