34 miljoner till forskning om altermagnetism

En nyupptäckt form av magnetism kan på sikt bana väg för snabbare, energisnålare och mer tillförlitlig elektronik. Den kallas altermagnetism och kombinerar egenskaper som tidigare varit svåra att förena i ett och samma material. I det här projektet ska forskarna undersöka hur altermagnetism kan styras i extremt små strukturer. Det är ett viktigt steg mot framtida tillämpningar inom exempelvis datalagring, sensorer, datorer och kvantteknologi.

Magnetism uppstår genom hur elektroner beter sig i materialets atomer och hänger bland annat samman med en egenskap som kallas spinn. Förenklat kan man tänka sig enskilda atomer som små stavmagneter. I vanliga magneter, så kallade ferromagneter, pekar dessa åt samma håll och skapar ett magnetfält. I antiferromagneter pekar däremot närliggande ”magneter” i motsatta riktningar. Deras magnetfält tar därför ut varandra.

– Altermagneter fungerar på ett annat sätt. Liksom antiferromagneter skapar de inget övergripande magnetfält. Men på grund av särskilda symmetrier i materialets kristallstruktur beter sig elektroner med olika spinn ändå olika. Det ger starka spinnberoende effekter som tidigare främst förknippats med ferromagnetiska material, säger Kimberly Dick Thelander, professor i materialvetenskap vid LTH.

Altermagneter på nanoskala

Den här kombinationen gör altermagneter särskilt intressanta för spinntronik, där elektronernas spinn används för att lagra och bearbeta information. Sådana komponenter kan i framtiden bli snabbare och kräva mindre energi än dagens elektronik. Eftersom altermagneter inte ger upphov till något betydande yttre magnetfält skulle mycket små komponenter dessutom kunna packas tätt utan att störa varandra.

Hittills har forskningen framför allt handlat om att bekräfta och förstå altermagnetism genom teoretiska studier och experiment på större materialprover och tunna filmer. Nästa utmaning är att göra fenomenet användbart. 

– Framtida tillämpningar kräver altermagneter på nanometerskala som kan kombineras med andra material i avancerade strukturer. Vi behöver därför förstå hur egenskaperna påverkas av bland annat kristallstruktur, storlek och omgivande material och hur de kan styras, berättar Kimberly Dick Thelander.

I projektet ska forskarna tillverka tredimensionella nanostrukturer som innehåller altermagnetiska material. Med stor precision kan de styra hur atomerna är ordnade och skapa strukturer och materialkombinationer som är svåra eller omöjliga att åstadkomma i större material. De ska sedan undersöka hur de altermagnetiska egenskaperna kan påverkas med elektromagnetiska fält och genom att utsätta materialen för mekanisk töjning.

För att studera de extremt små strukturerna krävs avancerade metoder med bland annat röntgenstrålning, neutroner, elektroner och spinnströmmar. En viktig del av arbetet kommer att genomföras vid MAX IV, där vi redan har visat att altermagnetiska domäner i tunna filmer kan avbildas.

Målet är att förstå hur altermagnetism kan kontrolleras på nanoskala och därmed lägga grunden för en ny generation snabbare, kompaktare och mer energieffektiv teknik.

Projekt: Nanoscale control of altermagnetism
Beviljat anslag: 34 000 000 kronor under fem år

Kimberly Dick Thelander i Lunds universitets forskningsportal