U radu nedavno objavljenom u časopisu Physical Review Letters, naši kolege Virna Kisiček, Damir Dominko, Matija Čulo, Mirta Herak i Tomislav Ivek, zajedno s bivšim doktorandima Željkom Rapljenovićem i Martinom Dragičević te ostalim suradnicima istaknuli su ulogu spinske reorijentacije u magnetoelektričnom efektu opaženom u antiferomagnetski uređenom kupratu Cu₃TeO₆ istraženom pomoću mjerenja statičke polarizacije u vanjskom magnetskom polju. Ovo otkriće ukazuje na dosad nedetektiranu promjenu magnetske simetrije u magnetskom polju, što igra ključnu ulogu u realiziranom magnetoelektričnom efektu u Cu₃TeO₆, ali i u drugim svojstvima ovog spoja, poput topoloških spinskih pobuđenja. Ovi rezultati ukazuju da navedeni materijal predstavlja možda i jedinstveni sustav za proučavanje međuigre nekoliko ključnih fenomena u spintronici.

Spin-Reorientation-Driven Linear Magnetoelectric Effect in Topological Antiferromagnet Cu₃TeO₆

Virna Kisiček, Damir Dominko, Matija Čulo, Željko Rapljenović, Marko Kuveždić, Martina Dragičević, Helmuth Berger, Xavier Rocquefelte, Mirta Herak, and Tomislav Ivek, Phys. Rev. Lett. 132, 096701 (2024).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.096701

Antiferomagneti su magnetski matrijali u kojima magnetsko uređenje, za razliku od feromagneta, ne daje vanjsko magnetsko polje. Usprkos tome, antiferomagnetski materijali imaju velikog potencijala za primjene u budućim elektroničkim uređajima. To je prepoznato kroz novo područje antiferomagnetske spintronike čiji cilj je kontrola spinova u antiferomagnetu koja bi se iskoristila za povećanje brzine i gustoće zapisa u novim elektroničkim uređajima, s potencijalno velikom energetskom učinkovitosti. Jaka energija međudjelovanja magnetskih momenata u antiferomagnetima odgovara pobudama s visokim frekvencijama, čak u području THz. Manipulacija elektronskih stanja u terahercnom području omogućila bi povećanje brzine čitanja i zapisa za nekoliko redova veličine u odnosu na trenutne. Dodatno se ističu magnetoelektrici u kojima je antiferomagnetizam moguće kontrolirati električnim poljem, odn. naponom, što otvara mogućnost povećanja energetske efikasnosti elektroničkih uređaja za nekoliko redova veličina. Zanimljivi su i antiferomagneti s topološkim spinskim pobuđenjima koji imaju velikog potencijala za primjenu u  magnonici i topološkoj spintronici.

Cu₃TeO₆ je kubični materijal s neobičnom i jednistvenom magnetskom rešetkom u kojem se spinovi bakra uređuju dugodosežno antiferomagnetski ispod temperature od 61K, što su prije skoro dva desetljeća prvi pokazali M. Herak i suradnici. Nedavno je opaženo da se u magnetski uređenom stanju ovog materijala magnonske vrpce preklapaju u topološkim Diracovim točkama, čime je po prvi put pronađeno prisustvo topoloških magnona u trodimenzionalnom sistemu. U ovom radu V. Kisiček i suradnici su pokazali da je Cu₃TeO₆ magnetoelektrik u kojem je statička električna polarizacija inducirana vanjskim magnetskim poljem  (slika 1a i 1b). Međutim, opaženo je različito ponašanje inducirane polarizacije u magnetskom polju za kristalografski ekvivalentne smjerove, zbog čega je detaljno proučen i magnetski odziv u istom rasponu magnetskih polja te eksperimentalno utvrđeno postojanje spinske reorijentacije u magnetskom polju. Uz pomoć fenomenološkog modela baziranog na dosad poznatom hamiltonijanu ovog sustava izračunate su magnetske strukture u primijenjenom magnetskom polju te određene magnetske točkaste grupe tih struktura, a koje se razlikuju od dosad poznate simetrije osnovnog stanja (slika 1c). Dodatno, dobivene magnetske točkaste grupe su polarne, ali pripadne strukture se slabo razlikuju od sličnih struktura s nepolarnim točkastim grupama, zbog čega je opaženi magnetoelektrični efekt dominantno linearan (slika 1b). Sva ova svojstva čine ovaj spoj moguće i jedinstvenim materijalom u kojem se može proučavati međuigra različitih potencijalno korisnih svojstava: antiferomagnetizma, magnetoelektričnosti, spinske reorijentacije i topoloških spinskih pobuđenja.