1707253034
2024-02-06 20:31:19
何千年もの間、人々は磁石の明らかな魔法に惹かれてきました。 古代ギリシャの哲学者は、鉄片を動かす能力があるため、ロードストーンと呼ばれる黒い岩には魂があると信じていました。
物理学者は現在、磁性材料がその内部の原子の挙動からその力を集めていることを知っています。 しかし、磁気にはまだ秘密が残っています。 研究者らは最近、強磁性と反強磁性という従来の 2 種類のそれぞれの特徴を備えた、全く新しい種類の磁性の兆候を発見しました。
理論的予測によると、200以上の物質が新たに発見された現象を示すはずで、物理学者らはその直接的な実験的証拠に迫っており、それがより効率的な電子デバイスにつながる可能性がある。 レオン・ブリルアン研究所の物理学者、ポール・マクラーティ氏によると、彼らはすでに、この「根本的に新しいタイプの磁性」を示すと思われるいくつかの物質を発見しているという。 「それは、物質がどのように機能するかについての私たちの理解を広げています。」
固体材料の内部では、原子はすべてスピンと呼ばれる性質を持つ電子に囲まれており、各原子に独自の小さな磁場を与えます。 各原子の合計スピンは、さまざまな方向を指す矢印で表されます。 強磁性体では、材料内のすべてのスピンが整列し、正味の磁場が生じます。 強磁性体は、写真を冷蔵庫に貼り付けるだけでなく、別の磁場を加えることで簡単にスピンを反転させることができ、コンピューターのメモリとして使用できる明確な状態を作り出すことができるため、便利です。 この技術は、情報が電荷ではなく電子スピンを介してエンコードされるスピントロニクスという新興技術を生み出しました。
1930 年代、科学者たちは、隣接する原子のスピンが反対方向を向いているため、正味の磁化が相殺されることがはるかに一般的であることに気づきました。 千鳥配置は均一配置よりもはるかに安定しているため、これらの反強磁性体は磁場または電場を加えても磁化することがほとんど不可能です。 フランスの物理学者ルイ・ニールが反強磁性に関する先駆的な研究で1970年にノーベル賞を受賞したとき、彼はこの現象を「興味深いが役に立たない」と述べた。 それにもかかわらず、この概念は便利であることが証明されています。第二次世界大戦中、船体を反強磁性体のように動作させ、磁石を狙う地雷を回避するために電気コイルが使用されました。
最近では、科学者たちは反強磁性体からスピントロニクスデバイスを構築する戦略を考案し始めています。 それらの硬いスピンは操作が難しいものの、原理的には強磁性体のスピンよりも 1000 倍速く反転することができ、よりエネルギー効率の高い情報の保存と処理が可能になります。
数年前、マインツのヨハネス・グーテンベルク大学の物理学者リボル・シュメイカルは、反強磁性スピントロニクス材料の可能性を模索していた。 彼は二酸化ルテニウムと呼ばれる有望な化合物を偶然見つけましたが、それは奇妙でした。 彼の計算では、通常の反強磁性体のような正味の磁化がないはずであることが示唆されました。 しかし、彼はまた、電流が流れると、その材料は強磁性体のように振る舞うことになると予測しました。つまり、材料内の磁力が電流内の電子を偏向させ、垂直方向に強い電圧を引き起こすことになります。 2020年、中国の研究チームは二酸化ルテニウムの逆説的な性質を実験的に確認した。
翌年、シュメイカルらは、二酸化ルテニウムのような材料がどのようにして部分的に強磁性体であり、部分的に反強磁性体になり得るかを説明する提案を発表した。 彼らはそれらを交代磁石と呼びました。 ほとんどの材料では、電子スピンの矢印は結晶格子内のホスト原子の方向と一致します。 しかし、材料によっては、スピン矢印が原子とは独立して回転することがあり、シュメイカルらは、原子が 1 つおきに 90 度回転し、そのスピンが 180 度反転するものを検討しました。
磁気の新しい展開
ほとんどの磁性材料の特性は、各原子の磁場 (スピンで示される) が上 (ピンク) を向いているか、下 (青) を向いているかによって決まります。 交替磁性体では、原子とそのスピンが独立して回転し、強磁性体と反強磁性体の両方の性質を与えます。
A. マスティン/科学
交流磁石は、強磁性体と反強磁性体の最も重要な特徴を組み合わせたものになります。 正味磁化がゼロであるため、反強磁性体の安定性と高速スピン反転速度が得られます。 しかし、交替磁石のスピンは、強磁性体のスピンと同様に、明確なアップ状態とダウン状態を容易に導くことができるため、メモリへの書き込みが容易になります。 「ケーキを持って食べることもできます」とマインツグループのもう一人の物理学者、ハイロ・シノバは言う。 強磁性スピンは通常、磁場によって反転されますが、オルタ磁石のスピンは、異なる方向に電流を印加することによって操作できます。
理論家たちはシュメイカルの説明をその数学的優雅さからすぐに受け入れたが、多くの人はこの現象が長い間注目されなかったことに驚いている。 「これは疑いの余地のない理論的概念の 1 つです」とジョージ メイソン大学の物理学者イゴール マジンは言います。 「しかし、それはこれまで一度も議論されたことがありません。」
200 を超える材料が交流磁性であると予測されており、これは既知の強磁性材料の数の 2 倍以上です。 研究者らは現在、材料にレーザー光を照射して電子を放出するよう誘導し、その特性を調べ始めている。 これらの電子の特性を測定することにより、科学者は変磁性の特徴、つまり上向きスピン電子と下向きスピン電子の両方を反映する 2 つの異なるバンド内に収まるエネルギー レベルを見つけることができます。 (反強磁性体にも上向きスピンと下向きスピンの電子がありますが、それらは同じエネルギー準位にあります。)
先月、韓国の研究チームは、材料テルル化マンガンの電子エネルギーの予測された分裂を発見した。 さらに 2 つの最近の研究では、テルル化マンガンと二酸化ルテニウムで同様のシグナルが確認されており、エネルギーバンドを特定のスピン極性に結び付ける試みも行われています。 「実験的に明確な証明を達成するのは非常に困難です」と博士のスヨン・リーは言う。 最新の研究の一つを主導したソウル大学の学生。 「しかし、私は現在、交磁作用が実際に存在するという十分な実験的証拠を持っていると言えます。」
マクラーティ氏は、新しい実験は「変磁性と一致している」が、物質の磁気的景観のスライスを通してスピンの挙動を明らかにしているだけだと述べている。 実験者が 3D 構造全体の挙動を捉えるまでは、「コートを掛けるつもりはありません」と彼は言います。 また、代替磁性体を電子機器で利用できるようになる前に、科学者は、変化する構成のパッチワークではなく、一貫した代替磁性の配向を持つ材料を合成する方法を学ばなければなりません。
マジン氏は、物質の変磁性構造の確認はほぼ確実であると述べている。 「自然界では、そうでない可能性はありません」と彼は言います。 同氏は、この検証の取り組みは「2掛ける2が4であることを証明する実験」に似ていると考えている。
しかしリー氏にとって、この狩猟は別の利益も約束している。つまり、実用化につながる可能性のある新たな複雑な現象を探索する機会となるのだ。 「これは、まったく新しい分野の交流磁気学の出発点だと思います」と彼女は言います。 「それに参加できてうれしいです。」
#研究者が新しい種類の磁性を発見 #科学