Магнетизм лежит в основе огромного числа современных технологий — от производства электроэнергии и электромобилей до медицинских устройств. Но привычный магнит с северным и южным полюсами — лишь один из вариантов того, как может вести себя магнитный материал.
В ферромагнетиках крошечные магнитные моменты частиц ориентируются в одном направлении и складываются в общее магнитное поле. Именно поэтому у обычного магнита появляются северный и южный полюса. Однако такие материалы создают паразитные магнитные поля, которые способны мешать работе микросхем и другой электроники.
Антиферромагнетики устроены иначе: их магнитные моменты направлены в противоположные стороны и взаимно компенсируют друг друга. Поэтому выраженных северного и южного полюсов у материала нет, а нежелательные внешние поля практически исчезают. Вместе с ними, однако, пропадают и некоторые полезные свойства ферромагнетиков.
Физикам давно было интересно получить материал, который сочетал бы преимущества обоих вариантов. Теперь исследователи сообщили об экспериментальном подтверждении именно такого необычного состояния — альтермагнетизма.
Команда физиков изучила кристаллы материала Co₁/₄TaSe₂, состоящего из кобальта, тантала и селена. Чтобы получить подходящие для экспериментов кристаллы, компоненты выдерживали при температуре выше 900 градусов Цельсия на протяжении двух недель.
Сам материал уже был известен науке. Он состоит из слоёв тантала и селена, между которыми располагаются атомы магнитного металла кобальта. Такая структура необычным образом влияет на электроны, проходящие через материал.
Чтобы проверить его магнитные свойства, учёные совместили квантовое моделирование со спектроскопией, позволяющей исследовать энергию и направление движения электронов. Для этого поверхность материала облучают светом, выбивая из неё электроны, после чего измеряют их характеристики.
Так исследователи получили карту энергетических состояний электронов и обнаружили ключевой признак альтермагнетизма: электронные состояния разделялись в зависимости от спина, причём две группы имели противоположную спиновую поляризацию.
Спин — это квантовое свойство частицы, которое условно можно представить как два возможных направления: «вверх» и «вниз». Электрон при этом не вращается буквально, как обычный объект вокруг своей оси. Речь идёт о квантовой характеристике, описываемой угловым моментом.
Именно здесь проявляется главное преимущество нового состояния.
Ферромагнетики хорошо разделяют электроны по спину, потому что их магнитные моменты ориентированы одинаково, но при этом создают паразитные магнитные поля. Антиферромагнетики практически не создают таких полей, однако разделение электронов по спину у них выражено значительно слабее.
Исследованный материал способен сочетать оба свойства: разделять электронные состояния по спину, не создавая при этом нежелательных внешних магнитных полей.
По словам авторов работы, это делает подобные материалы перспективными для спинтроники, сверхбыстрой памяти, терагерцевых технологий и энергоэффективной электроники.
Особенно важным исследователи считают то, что свойства такого слоистого материала сравнительно легко изменять. Это позволяет использовать его как экспериментальную платформу для изучения альтермагнетизма и его взаимодействия с другими магнитными явлениями.
Механизм возникновения альтермагнетизма при этом ещё нельзя считать полностью понятным. Учёным предстоит выяснить, каким образом взаимодействия между электронами приводят к появлению такого состояния и как оно конкурирует с другими формами магнетизма.
Практический интерес связан в том числе со спинтроникой. Современная электроника в основном обрабатывает информацию посредством перемещения электрических зарядов. В перспективе данные можно будет передавать и обрабатывать за счёт спиновых состояний электронов, распространяя их подобно волне.
Исследователи считают, что это потенциально позволит создавать более компактные системы хранения данных и энергоэффективную электронику.
А слоистые альтермагнетики, если этот подход подтвердит свою практическую ценность, могут оказаться среди ключевых материалов для электроники будущего.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
