Manyetik malzemeler eski zamanlardan beri bilinmektedir ve net manyetik düzenin enerji hasadı ve veri işlemeye yönelik yollar sunduğu modern toplumda önemli bir rol oynamaktadır. Ferromıknatısların net manyetik momenti, şimdiye kadar uygulamalarının anahtarı olmuştur; alternatif bir manyetik malzeme türü olan antiferromıknatıs, onları keşfeden Louis Néel tarafından Nobel Ödülü dersinde “işe yaramaz” olarak değerlendirilmiştir.
Son yıllarda, sağlam düzen ve ultra hızlı dinamikler de dahil olmak üzere teknolojiler için bir dizi heyecan verici avantaj sunan antiferromıknatıslara ilgi artıyor; ancak bunların elektriksel olarak tespit edilmesi ve manipüle edilmesinin zor olması da bir sorun.
Yeni bir tür manyetik düzenin (alternatif mıknatıs) yakın zamanda keşfedilmesi bu görüşü alt üst etti: Antiferromanyetik düzeni spintronik etkiler gibi ferromanyet benzeri özelliklerle birleştirerek gelecekteki uygulamalar için çok sayıda avantaj vaat ediyorlar.
Alternatifmanyetizmayı öngören ilk teorik çalışmalardan bu yana, alan hızla büyüdü; hem teorik hem de deneysel çalışmalar anlayışımızda ilerlemelere yol açtı.
Ancak geriye kalan sorulardan biri, siparişin toplu doğası ve bunun deneysel olarak ölçülüp ölçülemeyeceğiydi. İnce filmlerin veya doğası gereği yüzeye duyarlı tekniklerin kullanıldığı önceki deneysel çalışmaların çoğunda, alternatif manyetik özelliklerin bir malzemenin büyük kısmı boyunca nasıl ortaya çıktığı sorusu hala devam ediyordu.
Bu zorluğun üstesinden gelmek için, Max Planck Enstitüsü’nden Claire Donnelly liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, tek bir kristalden çıkarılan lamellerde nano ölçekli uzaysal çözünürlükle taramalı iletim X-ışını mikroskobu (STXM) ölçümleri gerçekleştirdi.
Bu şekilde, şimdiye kadar yalnızca ince film sistemlerinde görülen MnTe’nin (bir alternatif mıknatıs adayı) toplu numunelerindeki alternatif manyetik alanları başarılı bir şekilde gözlemleyebildiler. Çalışma dergide yayınlandı Uygulanan Fiziksel İnceleme.
Bu X ışını ölçümleri, ekibin yalnızca manyetik konfigürasyonu gözlemlemesine olanak sağlamakla kalmadı, aynı zamanda bunları X ışını enerjisinin bir fonksiyonu olarak gerçekleştirerek, malzemenin alternatif manyetik doğası hakkındaki önemli soruları yanıtlamayı da başardı.
Max Planck Katıların Kimyasal Fiziği Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarı Rikako Yamamoto, “Meslektaşlarımız tarafından yayınlanan önceki ölçümlerde, ölçülen X-ışını dikroizmi teorinin öngördüğünden önemli ölçüde daha zayıftı” diyor.
“Fakat sonuçlarımızı karşılaştırdığımızda sinyal güçlerinin teoriyle neredeyse mükemmel bir şekilde eşleştiğini gördük; bu da örneğimizin büyük bir kısmının alternatif manyetik olduğunu doğrulamamıza olanak sağladı.”
Deneyler, Berlin’deki BESSY-II sinkrotronunun MAXYMUS ışın hattında gerçekleştirildi.
Deneyde, dairesel polarize X ışınları, nano ölçekli bir nokta boyutuna kadar odaklandı ve farklı polarizasyonlar için ölçülen iletilen sinyalle numune boyunca tarandı. “X-ışını manyetik dairesel dikroizm” olarak adlandırılan bu durum en yaygın olarak ferromıknatıslarla ilişkilendirilir; burada sinyal net bir manyetik momente karşılık gelir, ancak net mıknatıslanmanın ortadan kaybolduğu antiferromıknatıslarda tipik olarak sıfırdır.
Öte yandan alternatif mıknatıslar, antiferromanyetik düzenlerine rağmen bu X ışını dikroizmini sergiliyorlar ve bu da onların özelliklerini nano ölçekte haritalamak için bir yol sunuyor.
Donnelly, “Özellikle ilginç olan, X-ışını dikroik görüntülerde gözlemlediğimiz özelliklerin çeşitliliğiydi” diyor. “Alternatif düzenin farklı yönelimlerine karşılık gelen parlak ve karanlık bölgeleri gözlemlemenin yanı sıra, daha karmaşık desenlere sahip bir dizi nano ölçekli özelliği de gördük.”
Hem alan duvarları hem de dolambaçlı, girdap benzeri dokular dahil olmak üzere topolojik yapıları düşündüren dikroik sinyaller gözlemlendi. Yamamoto, “Bu tür yapıların doğal olarak büyüyen tek kristallerde görülebilmesi şaşırtıcıydı” diye devam etti.
“Bu, umarız bu yaklaşımın aynı zamanda topolojik manyetik dokuları ve bunların nasıl davrandığını keşfetmek için bir platform sunabileceği anlamına gelir.”
Bu çalışma yalnızca MnTe’deki altermanyetizmanın toplu doğasına dair deneysel kanıtlar sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda transmisyon X-ışını nanogörüntülemesinin alternatifmanyetik düzeni tanımlamak için güçlü bir yöntem olduğunu da ortaya koyuyor.
İleriye dönük olarak bu yaklaşım, teorisyenlerin öngördüğü diğer birçok alternatif mıknatıs adayına kolaylıkla uygulanabilir. Tek kristal MnTe’yi geliştiren Max Planck Katı Maddelerin Kimyasal Fiziği Enstitüsü’nden bilim adamı Marcus Schmidt şöyle açıkladı: “Artık bu malzemeleri yetiştirebileceğimiz ve bunların alternatif manyetik düzenini X ışınlarıyla nano ölçekte doğrudan inceleyebileceğimiz gerçeği çok heyecan verici; ne bulacağımızı kim bilebilir?”
