Altermagnetism sillutab teed väiksemale, energisäästlikumale ja kiiremale elektroonikale

Magnetid on inimkonda võlunud juba aastatuhandeid. Kuidas ometi suudab tühjuses üks magnet teist magnetit nii tugevalt mõjutada? Magnetitel on ka lõputu hulk rakendusi, arvutimälust kuni elektrimootoriteni. Hiljuti füüsikute avastatud altermagnetism tõotab magnetiliste materjalide kasutusalasid veelgi täiendada.

Magnetite külgetõmbumist märgati juba ligikaudu kahe ja poole aastatuhande eest, kuid avastusi tehakse selles vallas praegugi. Äsja leitud altermagnetilistel ainetel pole püsivat magnetvälja, ent teistelt magnetilistelt omadustelt on nad lähedased püsimagnetitele.

Püsimagnetid, mida kasutatakse elektrimootorites, kõvaketastes, mikrofonides, kõlarites ja kompassides, tehakse tugevasti magneetuvatest ferromagnetilistest materjalidest. Kõige tavalisem ferromagneetik on raud, mille ladinakeelne nimetus on andnud nime kogu materjalide klassile. Iga elektron on tibatilluke magnet, mille magnetväli on tema spinni (pöörlemistelje) sihis. Väga väikeses ferromagnetilise aine kristallis hoiavad kõigi elektronide spinnid ühtepidi. Iga üksiku elektroni magnetväli on küll väga nõrk, kuid ühtsuses peitub jõud – liitudes annavad elektronide magnetväljad kokku tugeva välja. Suurem tükk ferromagneetikut on jaotunud väikesteks piirkondadeks – domeenideks. Igas domeenis on elektronide spinnid ühtepidi, kuid domeenid on tavaliselt suunatud juhuslikult ja ainel tervikuna magnetväli puudub. Kui rakendada ainele tugev väline magnetväli, joondab see domeenid ühtepidi ja tekib püsimagnet.

Äsja leitud altermagnetilistel ainetel pole püsivat magnetvälja, ent teistelt magnetilistelt omadustelt on nad lähedased püsimagnetitele.

Nagu eespool viidatud, on ferromagneetikud laialdaselt tarvitusel igapäevatehnoloogias. Selle peamine põhjus on asjaolu, et ferromagneetikud suudavad säilitada neisse salvestatud magnetvälja ruumilise kuju. Ferromagnetiline mäluelement on just kui «magnetiline paber», kuhu saab magnetväljaga kirjutada sõnumeid, muutes soovi järgi magnetvälja suunda. Siiski, magnetvälja muutmine ferromagneetikus nõuab veidi aega ja energiat. See seab ferromagnetilistele mäludele teoreetilised piirangud. Aga võib-olla saab siin hädast välja aidata mõni teistsugune magnetiline materjal?

Teistes materjalides võib magnetism esineda varjatumal kujul. Antiferromagneetikud koosnevad samuti aatomitest, millel on magnetväli, kuid neis joonduvad elektronide spinnid vaheldumisi kord ühte-, kord teistpidi. Seetõttu neil makroskoopilist magnetvälja ei ole ja materjali magnetiline loomus selgub üksnes lähemal uurimisel. Varjatud magnetomaduste tõttu avastati antiferromagneetikud kõigest sada aastat tagasi.

Altermagnetismi hakkasid teoreetikud antiferromagnetismist eristama alles päris hiljuti, 2019. aastal. Pealtnäha on altermagnetilised ained sarnased antiferromagneetikutega: neis on spinnid samuti vaheldumisi kord ühte-, kord teistpidi ja ainel puudub magnetväli. Erinevus on selles, miks ja kuidas spinnide asetus vaheldub. Hiljuti, 2024. aastal ilmunud artiklites kinnitati Tšehhi, Šveitsi ja teiste maade füüsikute koostöös katseliselt altermagnetismi olemasolu pooljuhis mangaantelluriidis ja metalli omadustega ruteeniumoksiidis. Siiani peeti mangaantelluriidi antiferromagneetikuks, kuid lähem uurimine näitas muud. Ennustatakse, et paljud ained dielektrikutest ja pooljuhtidest ülijuhtideni võivad olla altermagneetikud.

Foto: Horisont

Muide, füüsikateoreetikutele on kristallides toimuval omajagu ühist osakestefüüsikaga. Mõningates mudelites võivad Higgsi bosoniga sarnaste väljade mõjul kosmoses samamoodi kui ferromagneetikud tekkida domeenid, mille mõõtmed pole siis mitte mikroskoopilised, vaid kosmilised. Väljal on siis ühes domeenis pluss- ja naaberdomeenis miinusmärk. Osakestefüüsikas võib leiduda ka antiferromagnetismi ja altermagnetismi analoogiaid.

2024. aastal kinnitati Tšehhi, Šveitsi ja teiste maade füüsikute koostöös katseliselt altermagnetismi olemasolu pooljuhis mangaantelluriidis ja metalli omadustega ruteeniumoksiidis.

Füüsikud ja insenerid teavad, et tavaliselt on teekond teaduslikust avastusest igapäevase rakenduseni pikk, vaevaline ja konarlik. Sageli kulub aastakümneid. Näiteks kulus tuumanähtuste avastamisest esimese tuumaenergeetikani üle 50 aasta, kuigi selle peale kulutati tohutult raha ja inimtööjõudu. Altermagnetism see-eest näib olevat avastus, mis võib jõuda rakendusteni tunduvalt kiiremini.

Üks põhjus, miks selline kiire hüpe saab toimuda, on juba mainitud sarnasus ferromagneetikutega. Altermagneetikute eriliste magnetiliste ja elektriliste omaduste tõttu võimaldavad nad põnevaid ja läbimurdelisi uusi rakendusi. Üks selline on näiteks spinntroonika, kus peale elektrivoolu kasutatakse elektroonikas ära ka elektroni spinni (elektrone võib lihtsustatult ette kujutada kui väikseid kiiresti pöörlevaid vurre, kus spinn iseloomustab elektroni pöörlemist). Teoreetiliselt oleksid sellised elektroonikaseadmed tuhandeid kordi väiksemad, märksa kiiremad ja tarbiksid vähem energiat. See muudab altermagneetikud ideaalseks, et kasutada neid arvutite ja muude elektroonikaseadmete kiiretes, aga samal ajal vähem energiat tarbivates mäluelementides.

Altermagneetikute eriliste magnetiliste ja elektriliste omaduste tõttu võimaldavad nad põnevaid ja läbimurdelisi uusi rakendusi. Üks selline on näiteks spinntroonika.

Samuti on füüsikud ja insenerid pakkunud, et altermagneetikuid saaks kasutada just väikesemõõtmelistes elektrimootorites ferromagneetikute asemel. Sellised mootorid on näiteks kergetel lendavatel droonidel.

Nagu näha, saab magnetismi vallas, mida füüsikud on uurinud juba sajandeid, veel üht-teist uut leida. Pärast seda, kui teoreetikud altermagnetismi välja mõtlesid, oli selle avastamine looduses ainult aja küsimus.

Andi Hektor (1975) on ettevõtte GScan OÜ strateegiajuht ning keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle tegevuse põhisuund on müüontomograafia rakendused.

Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.

Artikkel ilmus ajakirja Horisont juuni-juuli numbris.