Berkat serangkaian eksperimen di Swiss Light Source SLS, para peneliti telah berhasil memastikan keberadaan altermagnetisme. Cabang baru dalam ilmu magnetisme ini, yang disebut altermagnetisme, pertama kali terdokumentasi dalam jurnal ilmiah Nature. Temuan ini tidak hanya menandai kemajuan dalam pemahaman fisika dasar, tetapi juga membawa implikasi besar dalam bidang spintronik.
Pada dasarnya, magnetisme adalah sifat alami yang dimiliki oleh beberapa material untuk menarik atau menolak benda-benda lain yang memiliki sifat magnetik. Ketika kita berbicara tentang magnetisme, kita sering kali terbayang benda-benda yang menempel di lemari es, tetapi sebenarnya magnetisme melibatkan konsep yang lebih kompleks dan luas dari sekadar benda yang menempel di permukaan. Salah satu aspek penting dalam studi magnetisme adalah pengklasifikasian material magnetik berdasarkan sifat-sifatnya.
Ferromagnet adalah salah satu jenis magnet yang paling umum dikenal. Mereka memiliki sifat di mana spin elektron dalam material tersebut sejajar satu sama lain, sehingga menghasilkan magnetisasi yang dapat diamati secara makroskopis. Sebagai contoh, benda-benda yang menempel di lemari es biasanya merupakan ferromagnet. Di sisi lain, ada juga antiferromagnet, di mana spin elektronnya memiliki orientasi yang berlawanan, sehingga tidak ada magnetisasi bersih yang dapat diamati secara makroskopis. Meskipun memiliki sifat magnetik, antiferromagnet umumnya tidak menunjukkan perilaku magnetik yang jelas dalam kehidupan sehari-hari.
Namun, baru-baru ini, para peneliti telah menemukan jenis baru dari magnetisme yang disebut altermagnetisme. Penemuan ini menunjukkan bahwa ada material-material yang memiliki sifat magnetik yang unik, di mana orientasi spin elektronnya bergantian, namun memiliki struktur yang memungkinkan terjadinya polarisasi spin yang kuat. Secara mengejutkan, altermagnet ini menawarkan kombinasi sifat yang mirip dengan ferromagnet, tetapi dengan keuntungan tidak adanya magnetisasi bersih. Hal ini menimbulkan minat besar dalam bidang spintronik, di mana pemanfaatan spin elektron untuk menyimpan dan memproses informasi menjadi fokus utama.
Dalam dunia teknologi informasi, spintronik adalah bidang yang berkembang pesat. Ini berbeda dari elektronika konvensional karena tidak hanya memanfaatkan muatan elektron, tetapi juga memanfaatkan keadaan spin elektron. Salah satu tantangan dalam pengembangan spintronik adalah menemukan material-material yang dapat memanfaatkan sifat spin elektron dengan efisien, tetapi juga memiliki skalabilitas yang baik dan efisiensi energi yang tinggi. Ferromagnet memiliki efek yang sangat kuat terhadap spin elektron, tetapi memiliki batasan praktis karena magnetisasi bersihnya yang menyebabkan gangguan antar elemen penyimpanan data. Antiferromagnet, di sisi lain, menawarkan keuntungan skala dan efisiensi energi, tetapi kurang dalam hal efek yang terkait dengan spin elektron.
Masuknya altermagnet ke dalam arena spintronik membawa harapan baru. Material-material ini menawarkan gabungan yang unik dari sifat-sifat ferromagnet dan antiferromagnet, memberikan kemungkinan untuk mengatasi batasan-batasan yang ada dalam teknologi spintronik saat ini. Meskipun masih dalam tahap awal penelitian, penemuan ini menunjukkan potensi besar dalam mengembangkan perangkat-perangkat baru yang lebih efisien dan lebih kuat dalam menyimpan dan memproses informasi.
Pencarian telah dimulai
Desas-desus bahwa jenis baru magnetisme sedang mengintai dimulai belum lama ini. Pada tahun 2019, Jungwirth bersama rekan-rekan teoritisnya di Akademi Sains Ceko dan Universitas Mainz mengidentifikasi kelas bahan magnetik dengan struktur spin yang tidak sesuai dengan deskripsi klasik ferromagnetisme atau antiferromagnetisme.
Pada tahun 2022, para teoretikus menerbitkan prediksi mereka tentang keberadaan altermagnetisme. Mereka menemukan lebih dari dua ratus calon altermagnetik dalam bahan-bahan mulai dari isolator dan semikonduktor, hingga logam dan superkonduktor. Banyak dari bahan-bahan ini telah sangat dikenal dan dieksplorasi secara ekstensif di masa lalu, tanpa memperhatikan sifat altermagnetik mereka. Karena peluang penelitian dan aplikasi yang besar yang ditawarkan oleh altermagnetisme, prediksi-prediksi ini menimbulkan kegembiraan besar di kalangan komunitas ilmiah. Pencarianpun dimulai.
X-ray adalah kunci
Mengumpulkan bukti eksperimental langsung tentang keberadaan altermagnetisme membutuhkan pembuktian karakteristik simetri spin yang unik yang diprediksi dalam altermagnet. Bukti tersebut diperoleh melalui teknik spektroskopi fotoemisi yang memperhatikan spin dan sudut di stasiun COPHEE dan jalur sinar ADRESS di SLS. Teknik ini memungkinkan tim untuk secara visual mengidentifikasi sebuah ciri khas dalam struktur elektronik dari suatu altermagnet yang diduga: yaitu pemisahan pita elektronik yang berkorespondensi dengan keadaan spin yang berbeda, yang dikenal sebagai pengangkatan degenerasi spin Kramers.
Penemuan ini terjadi pada kristal telurida mangan, sebuah material sederhana yang terdiri dari dua unsur. Sebelumnya, material ini dianggap sebagai antiferromagnet klasik karena momen magnetik pada atom mangan yang berdekatan berlawanan arah, sehingga menghasilkan magnetisasi netto yang hampir tidak terlihat.
Namun, antiferromagnet seharusnya tidak menunjukkan pengangkatan degenerasi spin Kramers akibat urutan magnetik, sedangkan ferromagnet atau altermagnet seharusnya menampilkannya. Ketika ilmuwan melihat pengangkatan degenerasi spin Kramers, yang disertai dengan hilangnya magnetisasi netto, mereka menyadari bahwa mereka telah menemukan sebuah altermagnet.
Dengan presisi dan sensitivitas pengukuran yang tinggi, tim dapat melihat pemisahan karakteristik pada level energi yang berbeda yang sesuai dengan keadaan spin yang berlawanan, dan dengan demikian menunjukkan bahwa telurida mangan bukanlah antiferromagnet konvensional atau ferromagnet konvensional, melainkan merupakan bagian dari keluarga baru material magnetik yang disebut altermagnet.
Jalur sinar yang membuat penemuan ini dimungkinkan saat ini sedang menunggu untuk direnovasi sebagai bagian dari peningkatan SLS 2.0. Setelah dua puluh tahun menjadi motor penggerak ilmu pengetahuan, stasiun akhir COPHEE akan sepenuhnya bergabung dengan jalur sinar baru yang disebut ‘QUEST’. Penemuan ini terjadi pada tahap akhir COPHEE. Eksperimen ini berhasil memberikan terobosan ilmiah yang signifikan.
Para peneliti meyakini bahwa penemuan fundamental baru dalam magnetisme ini akan memperkaya pemahaman kita tentang fisika materi terkondensasi, dengan dampak yang meluas di berbagai bidang penelitian dan teknologi. Selain keuntungannya bagi bidang spintronik yang sedang berkembang, ini juga menawarkan platform yang menjanjikan untuk menjelajahi superkonduktivitas tak konvensional, melalui wawasan baru tentang keadaan superkonduktor yang dapat muncul dalam berbagai material magnetik.
Altermagnetisme sebenarnya bukan sesuatu yang sangat rumit. Ini adalah sesuatu yang sepenuhnya fundamental yang telah ada di depan mata kita selama puluhan tahun tanpa kita sadari. Altermagnetisme bukan sesuatu yang hanya ada dalam beberapa material yang tidak jelas. Altermagnetisme ada di dalam banyak kristal yang orang-orang memiliki dalam laci mereka.
Referensi :
[1] https://www.psi.ch/en/science/scientific-highlights/altermagnetism-proves-its-place-on-the-magnetic-family-tree diakses pada 26 Februari 2024
[2] J. Krempaský, L. Šmejkal, S. W. D’Souza, M. Hajlaoui, G. Springholz, K. Uhlířová, F. Alarab, P. C. Constantinou, V. Strocov, D. Usanov, W. R. Pudelko, R. González-Hernández, A. Birk Hellenes, Z. Jansa, H. Reichlová, Z. Šobáň, R. D. Gonzalez Betancourt, P. Wadley, J. Sinova, D. Kriegner, J. Minár, J. H. Dil, T. Jungwirth. Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy. Nature, 2024; 626 (7999): 517 DOI: 10.1038/s41586-023-06907-7
