Рис.1. Кристаллическая и электронная структуры PT-симметричного антиферромагнетика SrMnBi₂ с дираковскими электронами. Автор изображения: Хидеаки Сакаи.

Для достижения функциональных возможностей, сопоставимых с возможностями ферромагнетиков, антиферромагнетики должны нарушать симметрию обращения времени (T) и инверсию, или четность (P). Этот новый класс материалов, известный как PT-симметричные антиферромагнетики, нарушает как T, так и P симметрию, сохраняя при этом их объединенную PT-симметрию.

Т-симметрия подразумевает, что система должна выглядеть одинаково независимо от того, движется она вперед или назад. При нарушении Т-симметрии образуются электронные полосы с расщепленными энергетическими уровнями, зависящими от спина — физического свойства — частиц в системе. Это приводит к тому, что система выглядит по-разному при движении вперед и назад.

P-симметрия относится к физическому описанию системы — зеркальное изображение системы должно вести себя так же, как и оригинал. Нарушение P-симметрии приводит к тому, что зеркальные изображения ведут себя по-разному. Этот новый класс материалов нарушает T- и P-симметрии таким образом, что они уравновешиваются, сохраняя ненарушенную комбинированную PT-симметрию.

Рис.2. Электрически переключаемое диодноподобное (нелинейное) сопротивление, проявляющееся в анизотропных магнитосопротивляющих эффектах. Автор изображения: Хидеаки Сакаи.

В работе физики изучали висмутид стронция-марганца (SrMnBi₂), кристаллический материал, состоящий из чередующихся антиферромагнитных слоев с PT-симметрией и высокопроводящих слоев дираковских электронов — типа материала, который позволяет электронам двигаться быстро и линейно.

Учёные измерили перенос электронов под действием приложенного тока и магнитного поля, наблюдая вызванную током электронную деформацию, которая проявлялась в виде нелинейного сигнала сопротивления, подобного диодному, или асимметричного электрического движения компонента (такого как диод), что позволяет току течь в одном направлении. Полярность диода зависит от направления магнитного поля, что является явным доказательством электронной нематичности, индуцированной электрическим током в PT-симметричном антиферромагнетике.

Было обнаружено, что направление вращения диода можно переключать, управляя электрическим током и магнитным полем.

В данном исследовании впервые продемонстрировано, что антиферромагнетики могут проявлять индуцированное током электронное «жидкокристаллическое» состояние, которое непосредственно обнаруживается как изменение электрического сопротивления, что обещает качественно новые функции устройств, а не просто постепенное улучшение существующих спинтронных технологий.