Впервые исследователям удалось получить убедительные доказательства существования новой, третьей формы магнетизма, названной алтермагнетизмом. Их открытие, опубликованное 11 декабря в журнале Nature, способно перевернуть подход к созданию новых высокоскоростных устройств магнитной памяти и стать недостающим элементом в разработке более эффективных сверхпроводниковых материалов.
«До сих пор у нас было два хорошо изученных типа магнетизма, — объясняет Оливер Амин (Oliver Amin), один из авторов исследования и постдокторант Университета Ноттингема в Великобритании. — Феромагнетизм, где магнитные моменты, которые можно представить как крошечные стрелки компаса в атомном масштабе, направлены в одну сторону. И антиферромагнетизм, где соседние магнитные моменты указывают в противоположные стороны — это похоже на шахматную доску с чередующимися белыми и чёрными клетками.»
Абстрактный концептуальный рисунок, демонстрирующий, как работает новая форма «алтермагнетизма». Изображение: Alex Speed, CC BY 4.0
В электронике спины электронов в электрическом токе могут быть направлены в одну из двух сторон. Их выравнивание относительно магнитных моментов используется для хранения и передачи информации, что лежит в основе работы устройств магнитной памяти.
Новая форма магнетизма
Алтермагнетизм, впервые теоретически предсказанный в 2022 году, занимает промежуточное положение между феромагнетизмом и антиферромагнетизмом. В алтермагнитных материалах магнитные моменты каждого атома, как в антиферромагнетиках, направлены противоположно соседним. Однако каждая такая «стрелка» слегка повёрнута относительно соседней, что придаёт материалу некоторые свойства, характерные для феромагнетиков.
Таким образом, алтермагниты объединяют лучшие качества феромагнитных и антиферромагнитных материалов.
«Феромагниты удобны тем, что позволяют легко записывать и считывать данные благодаря доменам, направленным вверх или вниз, — поясняет соавтор исследования Альфред Дэл Дин (Alfred Dal Din), докторант Университета Ноттингема. — Однако такая информация легко стирается, например, под воздействием магнита.»
Антиферромагнитные материалы, напротив, гораздо сложнее использовать для хранения данных. Однако благодаря нулевому суммарному магнетизму информация в них более надёжно защищена и может передаваться быстрее.
«Алтермагниты сочетают в себе скорость и устойчивость антиферромагнитов с важным свойством феромагнитов — нарушением симметрии обратимости времени», — добавляет Дэл Дин.
Это явление связано с симметрией объектов при движении вперёд и назад во времени.
«Например, газовые частицы, заполняя пространство, двигаются хаотично. Если перемотать время назад, поведение частиц будет выглядеть так же, — объясняет Амин. — Но для электронов, обладающих квантовым спином и магнитным моментом, при изменении направления движения спин меняется. Таким образом, симметрия нарушается, что открывает новые электрические явления.»
Схема, показывающая, как ориентированы магнитные моменты в альтермагнетиках. Изображение: Oliver Amin
Алтермагнетизм как недостающее звено сверхпроводимости
Команда учёных под руководством профессора физики Питера Уэдли (Peter Wadley) для изучения структуры и магнитных свойств теллурида марганца, ранее считавшегося антиферромагнитным материалом, использовала метод фотоэмиссионной электронной микроскопии.
«С помощью поляризованного рентгеновского излучения можно подсвечивать разные аспекты магнетизма, — объясняет Амин. — Например, круговая поляризация света позволяет выявить домены, созданные нарушением симметрии времени, а горизонтальная или вертикальная — определить направление магнитных моментов в материале.»
Объединив результаты экспериментов, учёные впервые создали карту магнитных доменов и структуры алтермагнитного материала.
Используя эту карту, команда разработала серию устройств на основе алтермагнитов, изменяя внутреннюю магнитную структуру с помощью контролируемого теплового цикла.
«Нам удалось создать экзотические вихревые текстуры как в шестиугольных, так и в треугольных структурах, — поделился Амин. — Эти вихри привлекают всё больше внимания в области спинтроники как потенциальные носители информации.»
По словам исследователей, возможность визуализации и управления новой формой магнетизма может революционизировать разработку памяти следующего поколения, сделав её быстрее, надёжнее и удобнее.
«Алтермагнетизм также способствует развитию сверхпроводимости, — отмечает Дэл Дин. — Долгое время в симметрии между этими областями оставался пробел, и именно этот класс магнитных материалов, ускользавший от учёных до сих пор, оказался недостающим звеном в головоломке.»