НаверхНаучный прорыв: найдено недостающее звено
Почему новый вид магнетизма изменит физику
Абстрактный концептуальный рисунок, показывающий, как будет работать новая форма «альтермагнетизма».
Исследователи получили первое убедительное доказательство существования неуловимого третьего класса магнетизма, названного альтермагнетизмом. Их выводы, опубликованные 11 декабря в журнале Nature, могут революционизировать дизайн новых высокоскоростных магнитных устройств памяти и предоставить недостающий элемент головоломки в разработке лучших сверхпроводящих материалов.
«Ранее у нас было два хорошо зарекомендовавших себя типа магнетизма», — рассказал Live Science автор исследования Оливер Амин, постдокторант в Ноттингемском университете в Великобритании. «Ферромагнетизм, где магнитные моменты, которые можно представить как маленькие стрелки компаса на атомном уровне, все указывают в одном направлении. И антиферромагнетизм, где соседние магнитные моменты указывают в противоположных направлениях — это можно представить как шахматную доску с чередующимися белыми и черными плитками».
Спины электронов в электрическом токе должны указывать в одном из двух направлений и могут выравниваться по или против этих магнитных моментов для хранения или переноса информации, образуя основу магнитных запоминающих устройств.
Новая форма магнетизма
Альтермагнитные материалы, впервые теоретизированные в 2022 году, имеют структуру, которая находится где-то посередине. Каждый отдельный магнитный момент указывает в противоположном направлении, как и его сосед, как в антиферромагнитном материале. Но каждая единица слегка повернута относительно этого соседнего магнитного атома, что приводит к некоторым ферромагнитным свойствам.
Таким образом, альтермагнетики сочетают в себе лучшие свойства как ферромагнитных, так и антиферромагнитных материалов. «Преимущество ферромагнетиков заключается в том, что у нас есть простой способ чтения и записи памяти с использованием этих доменов «вверх» или «вниз», — рассказал Live Science соавтор исследования Альфред Дал Дин, аспирант также в Ноттингемском университете. «Но поскольку эти материалы имеют чистый магнетизм, эту информацию также легко потерять, проведя над ней магнитом».
С другой стороны, антиферромагнитными материалами гораздо сложнее манипулировать для хранения информации. Однако, поскольку у них нулевой чистый магнетизм, информация в этих материалах гораздо более безопасна и быстрее передается. «Альтермагнетики обладают скоростью и устойчивостью антиферромагнетика, но у них также есть это важное свойство ферромагнетиков, называемое нарушением симметрии обращения времени», — сказал Дал Дин.
Это умопомрачительное свойство рассматривает симметрию объектов, движущихся вперед и назад во времени. «Например, частицы газа летают вокруг, хаотично сталкиваясь и заполняя пространство», — сказал Амин. «Если вы перемотаете время назад, это поведение не будет выглядеть иначе».
Это означает, что симметрия сохраняется. Однако, поскольку электроны обладают как квантовым спином, так и магнитным моментом, обращение времени — и, следовательно, направления движения — переворачивает спин, что означает, что симметрия нарушается. «Если вы посмотрите на эти две электронные системы — одну, где время идет нормально, и одну, где вы находитесь в перемотке, — они выглядят по-разному, поэтому симметрия нарушается», — объяснил Амин. «Это позволяет существовать определенным электрическим явлениям».
Поиск «недостающего звена» сверхпроводимости
Команда под руководством Питера Уэдли, профессора физики в Ноттингемском университете, использовала технику, называемую фотоэмиссионной электронной микроскопией, для изображения структуры и магнитных свойств теллурида марганца, материала, который ранее считался антиферромагнитным.
«Различные аспекты магнетизма становятся освещенными в зависимости от поляризации рентгеновских лучей, которые мы выбираем», — сказал Амин. Циркулярно поляризованный свет выявил различные магнитные домены, созданные нарушением симметрии обращения времени, в то время как горизонтально или вертикально поляризованные рентгеновские лучи позволили команде измерить направление магнитных моментов по всему материалу. Объединив результаты обоих экспериментов, исследователи создали первую в истории карту различных магнитных доменов и структур внутри альтермагнитного материала.
Имея этот доказательство концепции, команда изготовила серию альтермагнитных устройств, манипулируя внутренними магнитными структурами с помощью контролируемого метода термического циклирования.
«Мы смогли сформировать эти экзотические вихревые текстуры как в гексагональных, так и в треугольных устройствах», — сказал Амин. «Эти вихри привлекают все больше и больше внимания в спинтронике как потенциальные носители информации, так что это был хороший первый пример того, как создать практическое устройство».
Авторы исследования заявили, что возможность как изображать, так и контролировать эту новую форму магнетизма может революционизировать дизайн запоминающих устройств следующего поколения с повышенной скоростью работы, повышенной устойчивостью и простотой использования.
«Альтермагнетизм также поможет в развитии сверхпроводимости», — сказал Дал Дин. «Долгое время существовал пробел в симметриях между этими двумя областями, и этот класс магнитного материала, который оставался неуловимым до сих пор, оказывается этим недостающим звеном в головоломке».
Суперспособности в наших генах: почему мы можем впадать в спячку как медведи?
