鑽石中的微小缺陷可能揭示一種神秘的新型磁性

一種是我們熟悉的鐵磁體，冰箱貼和許多日常設備中都可以找到這種鐵磁體。另一種是反鐵磁體，其磁性隱藏在原子層面上，但由於其在先進技術中的潛在用途而引起了越來越多的興趣。

最近，研究人員確定了第三類，稱為“alterimans”。這些材料在過去十年中首次提出，可以結合鐵磁體和反鐵磁體的一些最有用的特性，有可能為更快、更節能的電子產品打開大門。

現在，布法羅大學的物理學家提出了一種新的量子感測方法，可以更輕鬆地識別改變的磁鐵。

所提出的方法，在Sect中描述 體檢信將偵測可疑的交變磁鐵如何影響附近鑽石內的小磁性缺陷。透過監測斷層的磁訊號如何隨著時間的推移而鬆弛，研究人員將能夠識別出交變磁性的明顯跡象。

布法羅大學藝術與科學學院物理系助理教授、通訊作者賈米爾·馬裡諾博士說：“這可能是新一代實驗的第一個組成部分，以確定一種材料是否是交變磁體。” “替代磁鐵可以徹底改變信息傳輸的方式，但為了確認這個奇特的理論是否正確，我們需要實驗來識別替代磁鐵並使其按照科學家的預測運行。”

研究的作者包括馬裡諾的前同事 Libor Šmejkal 和美因茨約翰內斯古騰堡大學的 Jairo Sinova，他們是最初提出 Altimans 概念的研究人員。

「這種感測技術可以成為研究候選變磁材料的非常重要的工具，」西諾瓦說。 “它比傳統實驗技術具有優勢，可以檢測材料不同區域的細微定向磁模式，而不會顯著幹擾材料。”

是什麼讓 Altermagnets 與眾不同？

交變磁性的想法誕生於 2019 年，當時美因茨的研究人員遇到了鐵磁體和反鐵磁體都無法解釋的行為。

他們的計算表明，二氧化釕不應該像反鐵磁體那樣具有一般的磁化強度。然而，當暴露在電流中時，它似乎表現得像鐵磁體。

這一意想不到的結果導致了交流磁體概念的發展。

在普通磁鐵中，原子及其自旋電子通常以相當簡單的模式排列。在鐵磁體中，相鄰電子的自旋指向同一方向，從而產生外部磁場。由於這些匝數可以相對容易地改變，因此鐵磁體被廣泛用於資訊儲存。

反鐵磁體的工作原理不同。側自旋指向相反方向，它們的磁效應相互抵消。儘管這種排列更難控制，但狀態變化速度要快得多，這使得反鐵磁體對未來的資訊處理技術具有吸引力。

改變磁鐵佔據中心點。就像反鐵磁體一樣，它們的整體磁性相互抵消。然而，材料內原子的排列會影響電子與鐵磁體相關的模式的行為。

「這種安排使得交替磁鐵能夠將反鐵磁體的快速開關行為與鐵磁體的一些易於控制的電子特性結合起來，」馬裡諾說。

利用鑽石缺陷檢測隱藏的磁性

美因茨和其他地方的研究人員已經報告了各種材料中交變磁性的實驗特徵。理論研究表明，該類別可能要大得多，有超過 200 種材料符合交變磁鐵的資格。這將是已知鐵磁性材料的兩倍以上。

為了幫助識別這些候選者，馬裡諾的團隊開發了一種建議的量子感測技術。

該方法基於具有由氮原子和缺失的碳原子形成的微觀磁性缺陷的鑽石。這些斷層對周圍的磁活動非常敏感。

在建議的實驗中，研究人員將沿著不同方向旋轉缺陷的磁自旋，並測量其鬆弛的速度。如果某些方向的弛豫發生速度比其他方向快，這種行為可能會揭示交替磁鐵預測的複雜自旋排列。

該技術的一個重要優點是，它比許多用於研究磁性材料的方法具有更少的破壞性。

「你不希望你的測量強烈幹擾你正在研究的材料，因為這會讓你更難判斷你正在觀察的是材料的自然行為還是實驗引起的行為，」馬裡諾說。

邁向更快、更有效率的電子產品

馬裡諾強調，感測系統目前僅作為理論命題存在。該團隊使用模擬量子動力學的複雜模型開發了它，但在研究人員知道他們是否能夠可靠地識別交替之前，仍然需要進行實驗驗證。

馬裡諾說：“有效識別交變磁材料是朝著有一天在電子產品中實際使用它們的關鍵一步。” “替代方案將使信息傳輸絕對更加有效。這將使擴展技術和消耗更少的能源成為可能。”

共同作者包括 Hossein Hosseinabadi 博士，他是 Marino 實驗室的前研究生，現在是德國馬克斯普朗克複雜系統物理研究所和斯特拉斯堡大學 VASV Bittencourt/Max Planck 光科學研究所的獨立博士後研究員。

該研究得到了德國研究基金會的支持。