A tükörszimmetria forradalma
Ami ezután jött, arra senki sem számított: kínai kutatók – a Beijing Normal University, a Shanghai University és a Fudan University szakemberei – kimutatták, hogy bizonyos 2D van der Waals ferromágnesek – például a Fe3GeTe2 és a Fe3GaTe2 – atomi szintű tükörszimmetriájuk miatt rendkívül alacsony mágneses csillapítást mutatnak.
Ez a tükörszimmetria gyakorlatilag blokkolja az intrasávos elektronátmeneteket, amelyek egyébként vezető szerepet játszanának a csillapításban. Így ezekben a réteges anyagokban a csillapítás hőmérsékletfüggése egészen másképp alakul, mint a hagyományos, tömbi mágnesekben: a csillapítás akár tetszőlegesen alacsonyra is csökkenthető, feltéve, hogy az anyag minősége hibátlan.
Elektronfizika és szimmetria: új alapokra helyezve
A kutatók teljesen új szintre emelték a mágneses csillapítás eredetének feltárását: első elvekből, sűrűségfunkcionál-elmélettel (density functional theory, DFT) és úgynevezett nyomatékkorrelációs (torque-correlation) módszerrel kapcsolatot teremtettek a 2D mágnesek elektronikus szerkezete és a csillapítás között.
Vizsgálataik során rájöttek, hogy amikor a mágnesesség iránya merőleges a rétegre, a kristályszerkezet tükörszimmetriája az intrasávos átmeneteket ellehetetleníti, így csak az intersávos hozzájárulás marad, amely jóval lassabb csillapításhoz vezet. Ez extrém, akár elméletileg is zérushoz közeli csillapítást eredményezhet ideális körülmények között.
Az is kiderült, hogy ha a tükörszimmetria megszűnik, például a mágnesesség irányának megdöntésével, az intrasávos csatorna azonnal újra megnyílik, és a csillapítás értéke hirtelen megnő. Ez a szimmetria-vezérelt anizotrópia teljesen új módszere lehet a mágneses tulajdonságok hangolásának: nem kell az anyagba zavaró szennyezőket bevinni, elég csak a szerkezeti szimmetriára hatni.
Spintronikai forradalom küszöbén
A kutatási eredmények alapján mostantól megnyílt az út a 2D vdW ferromágnesek – és azok célzott tervezése – felé, amelyek természetüknél fogva hihetetlenül alacsony Gilbert-csillapítást mutatnak. Ez egyben azt is jelenti, hogy hatékonyabb, gyorsabb és energiatakarékosabb spintronikai chipek válhatnak valóra, amelyek már a jelenlegi nanoelektronikai rendszerekkel is kompatibilisek.
A későbbiekben a kutatócsoport azt tervezi, hogy további szimmetria-vezérelt jelenségeket is megvizsgál, például az elektromos ellenállás és a spin–töltés konverziója terén. Emellett szeretnék kiterjeszteni vizsgálataikat van der Waals mágneses szigetelőkre is. Ezekben az úgynevezett magnonszerű kölcsönhatások dominálnak, nem az elektronikus átmenetek, de a cél, hogy ezekben az anyagokban is egységes keretben legyen magyarázható a csillapítás jelensége.
A 2D van der Waals mágneses anyagok tükörszimmetriája tehát nemcsak tudományos érdekesség, de komoly hajtóerő lehet az újfajta, gyors, zöld, energiatakarékos memóriaeszközök és processzorok fejlesztésében. Az ultraalacsony mágneses csillapítás mostantól nemcsak álom, hanem reális tervezési cél a laboratóriumokban – a modern anyagfizika egyik legizgalmasabb ígérete.
