Selama beberapa dekade, para ilmuwan hanya mengenali dua jenis magnet utama.
Salah satunya adalah feromagnet yang sudah dikenal, jenis yang ditemukan pada magnet kulkas dan peralatan sehari-hari yang tak terhitung jumlahnya. Yang lainnya adalah antiferromagnet, yang sifat magnetiknya tersembunyi pada tingkat atom namun semakin menarik minat karena potensi penggunaannya dalam teknologi maju.
Baru-baru ini, para peneliti telah mengidentifikasi kategori ketiga yang disebut altermagnet. Pertama kali diusulkan pada dekade terakhir, bahan-bahan ini dapat menggabungkan beberapa fitur feromagnet dan antiferromagnet yang paling berguna, sehingga berpotensi membuka pintu bagi elektronik yang lebih cepat dan hemat energi.
Kini, fisikawan di Universitas Buffalo telah mengusulkan pendekatan penginderaan kuantum baru yang dapat membuat altermagnet lebih mudah diidentifikasi.
Metode yang diusulkan, dijelaskan dalam Surat Pemeriksaan Fisikakan mendeteksi bagaimana magnet alternatif mempengaruhi cacat magnet kecil di dalam berlian di dekatnya. Dengan memantau bagaimana sinyal magnetik patahan tersebut melemah seiring berjalannya waktu, para peneliti mungkin dapat mengidentifikasi tanda-tanda altermagnetisme.
“Ini bisa menjadi landasan pertama dari eksperimen generasi baru untuk menentukan apakah suatu material merupakan altermagnet,” kata penulis koresponden Jamir Marino, PhD, asisten profesor di Departemen Fisika, Sekolah Tinggi Seni dan Sains UB. “Alter-magnet dapat sepenuhnya merevolusi cara kita membawa informasi, tetapi untuk memastikan apakah teori elegan ini benar, kita memerlukan eksperimen yang mengidentifikasi alter-magnet dan mengonfirmasi bahwa magnet tersebut berperilaku sesuai prediksi para ilmuwan.”
Rekan penulis penelitian ini termasuk mantan rekan Marino, Libor Šmejkal dan Jairo Sinova dari Universitas Johannes Gutenberg Mainz, peneliti yang awalnya mengusulkan konsep alter-magnet.
“Teknik deteksi ini bisa menjadi alat yang sangat penting untuk mengeksplorasi calon material altermagnetik,” kata Sinova. “Ini menawarkan keunggulan dibandingkan teknik eksperimental konvensional dengan mendeteksi pola magnet terarah yang halus di berbagai wilayah material tanpa mengganggunya secara signifikan.”
Apa yang membuat magnet alter berbeda?
Ide altermagnetisme muncul pada tahun 2019 ketika para peneliti di Mainz dihadapkan pada perilaku yang tidak dapat dijelaskan baik oleh feromagnet maupun antiferromagnet.
Perhitungan mereka menunjukkan bahwa rutenium dioksida seharusnya tidak memiliki magnetisasi keseluruhan, seperti antiferromagnet. Namun ketika terkena arus listrik, ia tampak berperilaku lebih seperti feromagnet.
Hasil yang tidak terduga ini menyebabkan berkembangnya konsep altermagnet.
Pada magnet konvensional, atom dan putaran elektronnya umumnya tersusun dalam pola yang relatif sederhana. Dalam feromagnet, putaran elektron yang berdekatan mengarah ke arah yang sama, menciptakan medan magnet luar. Karena putaran ini dapat dialihkan dengan relatif mudah, feromagnet banyak digunakan untuk penyimpanan informasi.
Antiferromagnet bekerja secara berbeda. Putaran di dekatnya menunjuk ke arah yang berlawanan, menghilangkan efek magnetisnya. Meskipun pengaturan ini lebih sulit dikendalikan, namun dapat mengubah keadaan lebih cepat, menjadikan antiferromagnet menarik untuk teknologi pemrosesan informasi masa depan.
Altermagnet menempati media bahagia. Seperti antiferromagnet, daya tarik keseluruhannya hilang. Namun, susunan atom di dalam material menyebabkan elektron berperilaku seperti yang biasanya dikaitkan dengan feromagnet.
“Pengaturan ini memungkinkan altermagnet menggabungkan perilaku peralihan cepat antiferromagnet dengan beberapa sifat elektronik feromagnet yang lebih mudah dikontrol,” kata Marino.
Menggunakan cacat berlian untuk mendeteksi magnet tersembunyi
Para peneliti dari Mainz dan tempat lain telah melaporkan tanda-tanda eksperimental altermagnetisme pada beberapa material. Studi teoretis menunjukkan bahwa kelasnya bisa lebih luas, dengan lebih dari 200 material berpotensi memenuhi syarat sebagai magnet alter. Ini mewakili dua kali lipat jumlah bahan feromagnetik yang diketahui.
Untuk membantu mengidentifikasi kandidat ini, tim Marino mengembangkan usulan teknik penginderaan kuantum.
Pendekatan ini bergantung pada berlian yang mengandung cacat magnetik mikroskopis yang dibentuk oleh atom nitrogen dan atom karbon tetangganya yang hilang. Cacat ini sangat sensitif terhadap aktivitas magnet di dekatnya.
Dalam percobaan yang diusulkan, para peneliti akan memutar putaran magnet dari cacat tersebut ke arah yang berbeda dan mengukur seberapa cepat cacat tersebut mengendur. Jika relaksasi terjadi lebih cepat di beberapa arah dibandingkan arah lainnya, perilaku ini dapat mengungkap pengaturan putaran kompleks yang diperkirakan terjadi pada altermagnet.
Keuntungan penting dari teknik ini adalah tidak terlalu mengganggu dibandingkan banyak metode yang sudah ada yang digunakan untuk mempelajari bahan magnetik.
“Anda tentu tidak ingin pengukuran Anda terlalu mengganggu materi yang Anda pelajari, karena akan menjadi lebih sulit untuk menentukan apakah Anda mengamati perilaku alami materi atau yang disebabkan oleh eksperimen,” kata Marino.
Menuju elektronik yang lebih cepat dan efisien
Marino menegaskan, sistem pendeteksian saat ini hanya sebatas usulan teori. Tim mengembangkannya menggunakan model canggih yang mensimulasikan dinamika kuantum, namun validasi eksperimental masih diperlukan sebelum peneliti mengetahui apakah alat tersebut dapat mengidentifikasi alter-magnet dengan andal.
“Mengidentifikasi bahan altermagnetik secara efektif merupakan langkah penting menuju penggunaan nyata bahan tersebut dalam elektronik,” kata Marino. “Alter-magnet akan membuat pengangkutan informasi jauh lebih efisien. Hal ini memungkinkan teknologi menyusut ukurannya dan mengonsumsi lebih sedikit energi.”
Rekan penulis lainnya termasuk Hossein Hosseinabadi, PhD, mantan mahasiswa pascasarjana di laboratorium Marino dan sekarang menjadi peneliti pascadoktoral independen dan terkemuka di Institut Max Planck untuk Fisika Sistem Kompleks di Jerman, dan VASV Bittencourt dari Universitas Strasbourg/Institut Max Planck untuk Ilmu Cahaya.
Penelitian ini didukung oleh German Research Foundation.
