Para peneliti telah berhasil mengubah magnetisme dalam kristal dengan memberikan tekanan. Metode ini, yang memvariasikan interaksi magnetik dalam kisi kristal, dapat merevolusi penyimpanan data dan komputasi kuantum dengan mengendalikan frustrasi geometri dan sifat magnetik.
Magnetisme dipengaruhi oleh perilaku elektron. Misalnya, partikel-partikel kecil ini dapat menghasilkan arus listrik menggunakan muatannya, yang pada gilirannya dapat menghasilkan medan magnet. Selain itu, magnetisme dapat muncul dari keselarasan momen magnet, atau putaran, dalam suatu zat. Hingga saat ini, mustahil untuk terus-menerus mengubah jenis magnet yang ada dalam kristal.
Sebuah tim peneliti internasional yang dipimpin oleh profesor TU Wien Andrej Pustogow kini telah berhasil melakukan hal tersebut: Mengubah daya tarik “dengan menekan sebuah tombol”. Untuk itu, tim terus menerus mengubah interaksi magnetik dalam satu kristal dengan memberikan tekanan. Para peneliti baru-baru ini mempublikasikan hasilnya di jurnal terkenal Surat Tinjauan Fisik.
Magnetisme sangat menarik
Orang-orang telah terpesona oleh magnetisme selama ribuan tahun dan hal ini telah memungkinkan banyak penerapan teknis. Dari kompas, motor listrik hingga generator – perangkat ini dan perangkat lainnya tidak akan ada tanpa feromagnetisme. Meskipun feromagnetisme telah dipelajari dengan baik, penelitian mendasar semakin tertarik pada bentuk magnetisme lainnya. Ini sangat menarik untuk penyimpanan data yang aman dan sebagai platform potensial untuk komputer kuantum.
Andrej Pustogow (kiri), Maximilian Spitaler (kanan), dan rekannya menunjukkan seperti apa frustrasi magnetis pada kotak segitiga. Kredit: TU Wien
“Namun, mencari bentuk magnet baru dan mengendalikannya sepenuhnya merupakan upaya yang sangat sulit,” kata pemimpin studi Andrej Pustogow.
Ferromagnetisme menghasilkan antiferromagnetisme
Putaran dapat divisualisasikan sebagai jarum kompas kecil yang dapat menyelaraskan dirinya dalam medan magnet luar dan memiliki medan magnet itu sendiri. Dalam kasus feromagnetisme, yang digunakan pada magnet permanen, semua putaran elektron sejajar satu sama lain. Dalam beberapa susunan putaran elektron, misalnya pada kisi kristal kotak-kotak biasa, penyelarasan putaran anti-paralel juga dimungkinkan: putaran yang berdekatan selalu mengarah secara bergantian ke arah yang berlawanan.
Dengan kisi-kisi segitiga (atau kisi-kisi yang memiliki struktur segitiga, seperti kisi kagome yang lebih kompleks), susunan yang sepenuhnya antiparalel tidak mungkin dilakukan: Jika dua sudut segitiga mempunyai arah putaran yang berlawanan, sisi yang tersisa harus sesuai dengan salah satu dari dua arah tersebut. . Kedua opsi – putar ke atas atau ke bawah – sama persis.
“Kemungkinan beberapa alternatif identik ini dikenal sebagai ‘frustasi geometris’ dan terjadi pada struktur kristal dengan putaran elektron yang tersusun dalam kisi segitiga, kagome, atau sarang lebah,” jelas Pustogow. Akibatnya, pasangan putaran yang disusun secara acak terbentuk, dengan beberapa putaran tidak menemukan pasangan sama sekali. “Sisa momen magnet yang tidak berpasangan dapat terjerat satu sama lain, dimanipulasi dengan medan magnet eksternal, dan dengan demikian digunakan untuk penyimpanan data atau operasi komputasi di komputer kuantum,” kata fisikawan solid-state Pustogow.
Mengubah frustrasi melalui tekanan
“Secara material, kita masih jauh dari kondisi frustasi ideal. Pertama-tama, kita harus mampu mengontrol secara tepat simetri kisi kristal dan sifat magnetiknya,” kata Andrej Pustogow. Meskipun material dengan frustasi geometris yang kuat sudah dapat diproduksi, perubahan terus-menerus dari frustasi lemah menjadi kuat dan sebaliknya belum mungkin dilakukan, terutama pada kristal yang satu dan sama.
Untuk mengubah daya tarik material yang diselidiki “dengan menekan sebuah tombol”, para peneliti memberi tekanan pada kristal. Dimulai dari struktur kagome, kisi kristal diubah bentuknya oleh tegangan uniaksial, yang mengubah interaksi magnetik antar elektron. “Kami menggunakan tekanan mekanis untuk memaksa sistem ke arah magnet yang diinginkan. Seperti yang terkadang terjadi dalam kehidupan nyata, stres mengurangi rasa frustrasi karena suatu keputusan dipaksakan kepada kita dan kita tidak harus mengambil keputusan sendiri,” kata Andrej Pustogow. Tim berhasil meningkatkan suhu transisi fase magnetik lebih dari sepuluh persen. “Pada pandangan pertama, hal ini mungkin terlihat tidak seberapa, namun jika titik beku air dinaikkan sebesar sepuluh persen, misalnya, air akan membeku pada suhu 27 °C – yang akan menimbulkan konsekuensi serius bagi dunia yang kita kenal sekarang,” jelas Pustogow.
Sementara dalam kasus saat ini, frustrasi geometri dikurangi dengan tekanan mekanis, tim peneliti kini menargetkan peningkatan frustrasi untuk sepenuhnya menghilangkan antiferromagnetisme dan mewujudkan cairan spin kuantum seperti dijelaskan di atas. “Kemungkinan mengendalikan frustrasi geometrik secara aktif melalui tekanan mekanis uniaksial membuka pintu bagi manipulasi sifat material yang tidak terbayangkan ‘dengan menekan sebuah tombol’,” Andrej Pustogow merangkum.
Referensi: “Pelepasan Frustrasi Terkendali pada Kisi Kagome dengan Penyetelan Regangan Uniaksial” oleh Jierong Wang, M. Spitaler, Y.-S. Su, KM Zoch, C. Krellner, P. Puphal, SE Brown dan A. Pustogow, 18 Desember 2023, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.256501
