26.04.2024

Новоизобретенные «альтермагнетики» нарушают магнитный статус-кво

Материалы привлекли внимание своим разносторонним потенциалом 

Эмили Коновер

Альтермагнетики состоят из массива атомов, которые чередуются как по ориентации спинов (показано фиолетовым и синим), так и по ориентации атомов. Фото: Либор Шмейкал и Анна Бирк Элленс

Впервые за почти столетие физики обнаружили совершенно новый тип магнитного материала.

Откройте учебник физики, и вы прочтете, что ученые классифицируют магнитные материалы по двум основным типам: ферромагнетики и антиферромагнетики. Ферромагнетики - это то, о чем думает большинство людей, когда им на ум приходят магниты. Эти материалы обладают магнитным полем, которое позволяет им удерживать фотографии на холодильнике или заставляет магнитный компас указывать на север. Антиферромагниты не имеют внешнего магнитного поля, но обладают другими магнитными причудами.

Теперь эта классическая пара превратилась в трио. Физики открыли новый класс магнитных материалов под названием альтермагнетики, которые могут привести к появлению новых технологий, таких как более быстрые и эффективные компьютерные жесткие диски.

Хотя идея альтермагнетиков чрезвычайно проста, говорит физик-теоретик Игорь Мазин из Университета Джорджа Мейсона в Фэрфаксе, штат Вирджиния, «почему-то... никто не задумывался о такой возможности» до недавнего времени. Тот факт, что третья магнитная категория могла оставаться незамеченной так долго, «меня очень удивляет».

Все потому, что изучение магнитных материалов - древняя наука. Ферромагниты известны уже тысячи лет. Древних греков очаровывал ледяной камень - намагниченная форма минерала магнетита. Китайцы выковали из намагниченного минерала первые компасы в четвертом веке до нашей эры. Антиферромагниты были открыты в 1930-х годах.

И вот несколько лет назад теоретические предсказания показали, что альтермагнетики могут существовать. И когда ученые начали их искать, то быстро обнаружили, что магнитные материалы реальны и многочисленны.

Альтермагнетики - это отдельный класс

На микроскопическом уровне материалы получают свой магнетизм от своих атомов. Атомы обладают спином - квантово-механическим свойством, которым наделены электроны атомов. Благодаря этому спину каждый атом действует как миниатюрный магнит. Спины могут быть направлены в разные стороны, обычно их называют «спин вверх» и «спин вниз». Любой материал со спинами, расположенными упорядоченно - в отсутствие какого-либо внешнего магнитного поля, - физики считают магнитным материалом. 

В ферромагнетиках спины атомов выравниваются, так что их магнитные поля объединяются и создают магнитное поле, окружающее материал. В антиферромагнетиках все наоборот: Спины атомов направлены в разные стороны, и их магнитные поля аннулируются, не создавая чистого поля.

В альтермагнетиках спины атомов чередуются, но с дополнительной изюминкой. Спины соседних атомов не только противоположны, но и вращаются. Если представить себе антиферромагниты как шашечную доску, где чередующиеся черные и белые квадраты обозначают спин вверх и спин вниз, то альтермагнетики похожи на рисунок М. К. Эшера, где тесселированные фигуры - птицы, лошади или другие мотивы Эшера - не только чередуются по цвету, но и вращаются относительно друг друга.

Тесселирующие фигуры в работах М. К. Эшера - это аналогия с альтермагнетиками. Атомы чередуются как по своему вращению (представленному цветом), так и по своей ориентации, что видно на примере повернутых птиц на этом рисунке. Рисунок: Мауриц Корнелис Эшер / RIJKSMUSEUM

Если взять альтермагнетик, перевернуть его спины и повернуть материал, например, на 90 градусов, то он будет выглядеть идентично своему первоначальному состоянию. Это особый тип симметрии, отличный от других магнитных материалов. Эта симметрия выделяет альтермагнетики в отдельный класс, утверждают Джайро Синова из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце и его коллеги в журнале Physical Review X в сентябре 2022 года - одна из нескольких теоретических работ с 2019 года, которые помогли вывести альтермагнетики на первый план. 

В настоящее время начались эксперименты, подтверждающие альтермагнетическую идентичность некоторых материалов.

Альтермагнетики становятся реальностью

Ученые предсказали, что электроны в альтермагнетиках будут обладать некоторыми необычными свойствами. Чтобы подтвердить альтермагнетическую природу того или иного материала, ученым необходимо составить карту поведения электронов. Особенно важно проследить, как энергия электрона в материале связана с его импульсом. В ферромагнетиках электроны с заданной энергией на карте расходятся: Импульс зависит от спина. Электроны со спином вверх будут иметь иной импульс, нежели электроны со спином вниз той же энергии. 

В антиферромагнетиках, однако, спин вверх и спин вниз электронов одинаков. Для данной энергии оба спина будут иметь одинаковый импульс.

Именно здесь и проявляется странная двойственная природа альтермагнетиков. Ученые предсказали, что электроны материалов будут разделены в соответствии со спином, но только для электронов, движущихся в определенных направлениях. Это означает, что в одних направлениях материал будет вести себя как ферромагнит, а в других - как антиферромагнит.

Чтобы подтвердить этот эффект, ученые использовали технику, называемую углоразрешающей фотоэмиссионной спектроскопией, которая измеряет электроны, испускаемые при попадании света на материал. С помощью этого метода исследователи наблюдали расщепление спина в материале теллурид марганца. Этот материал изучается с 1960-х годов, и ранее считалось, что он является антиферромагнитом. Но результаты совпали с предсказанным для альтермагнетика поведением, сообщают исследователи в журнале Nature от 15 февраля. 

Примерно в то же время две другие группы исследователей также обнаружили признаки расщепления спина в теллуриде марганца, говорится в работах, опубликованных 19 января в Physical Review Letters и 15 марта в Physical Review B.

Появляются и другие альтермагнитные материалы. Статья в Science Advances от 2 февраля обнаружила признаки альтермагнетизма в диоксиде рутения, а статья в Nature Communications от 8 марта описала альтермагнетическое поведение тонких пленок соединения хрома и сурьмы.

По словам физика Либора Шмейкала из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга в Германии, «суть в том, что... это не единственная такая система», в которой присутствует альтермагнетизм. Полученные результаты подтвердили, что альтермагнетики уже не теория. Они представляют собой новый, третий класс магнитных материалов.

Альтермагнетики не только обнаружены в различных материалах, но и кандидатов на альтермагнетики больше, чем ферромагнетиков. И эти материалы не являются малоизвестными или токсичными, говорит физик-экспериментатор Хелена Рейхлова (Helena Reichlová) из Института физики Чешской академии наук в Праге. Исследователи уже знают, как производить эти материалы и работать с ними. «Они уже здесь, с нами, просто их прятали от нас».

Основываясь на базе данных известных материалов, ученые оценили количество кандидатов в альтермагнетики. Эти материалы могут оказаться на удивление более распространенными по сравнению с известными ферромагнетиками. Рисунок: Б. Прайс

Новые магниты уже находят свою нишу

Природа альтермагнети��ов может сделать их особенно полезными для некоторых технологических решений. В настоящее время ферромагниты используются в магнитных жестких дисках компьютеров, которые кодируют 0 и 1 в крошечных магнитных битах. Но эта технология ограничена магнитными полями ферромагнитов. «Эта намагниченность в ферромагнетиках - источник всех этих удивительных эффектов, которые мы, например, используем в жестких дисках», - говорит Шмейкал. «Но в то же время это и главная проблема». 

Магнитные биты трудно плотно упаковывать: ферромагниты, расположенные в непосредственной близости друг от друга, могут создавать помехи друг другу за счет своих магнитных полей. К тому же у магнитных битов есть предел скорости: их можно переключать с 0 на 1 только очень быстро. Поэтому ученые задумались о замене ферромагнитов антиферромагнитами, у которых нет магнитного поля. Но с этим есть проблема. Для считывания данных жесткие диски используют спин-расщепление, свойственное ферромагнетикам. В антиферромагнетиках электроны не разделяются по спину. 

Альтермагнетики, которые не имеют чистого магнитного поля, но разделяют электроны по спину, могут стать лучшим из двух миров. Альтермагнетизм «похоже, устраняет некоторые из ключевых ограничений ферромагнетиков», - говорит физик Томаш Юнгвирт из Института физики Чешской академии наук.

Более того, если ферромагниты, как правило, состоят из металлов, то альтермагнетики могут быть изготовлены из самых разных материалов. Например, теллурид марганца является полупроводником. Поскольку полупроводники используются для производства компьютерных чипов, ученые надеялись, что магнитный материал, который также является полупроводником, позволит объединить память и процессор в одном материале.

По словам Синовой, альтермагнетики, обладающие «лучшими качествами антиферромагнитов, лучшими качествами ферромагнитов и некоторыми уникальными свойствами», снимают ограничения магнитного статус-кво. «Эти материалы преодолевают все барьеры. Они просто проникают сквозь них».

Источник: sciencenews.org