Нова форма магнетизму може створити більш потужні пристрої пам’яті

Нові дослідження показують, що існує три типи магнетизму, а не два, і новий тип може бути дуже популярним.

Першим користувачам компасів магніти, мабуть, здавалися чимось магічним. Тільки-но ми почали думати, що зрозуміли традиційну форму, відому як феромагнетизм, як було відкрито новий тип – антиферомагнетизм. Тепер здається, що наші описи цього також неадекватні, оскільки з’явилися докази третього типу – альтермагнетизму. На питання “Магніти, як вони працюють?” вчені не брехали, але їхні відповіді були неповними.

Магнетизм, якщо він не викликаний великомасштабними електричними струмами або зміною полів, є наслідком електронних спінів. Спін тут не означає буквально, що електрони обертаються як планети, а відноситься до однойменної субатомної поведінки. Орбітальні електрони мають магнітні моменти, зумовлені їхніми спінами, але вони, як правило, розташовані випадково. При неймовірно великій кількості електронів навіть у маленькому предметі все нівелюється, або стає настільки близьким, що це не має значення.

Однак у рідкісних випадках магнітні моменти вирівнюються настільки, що створюють великомасштабне магнітне поле. Це можливо лише в кількох елементах, найвідомішим з яких є залізо, але коли це трапляється, це уможливлює знайоме нам притягання надгробного каменю до (магнітного) північного полюса або магніту до холодильника.

Антиферомагнетики, відкриті в 1933 році, зазвичай вимагають низьких температур і включають структури, де атоми мають магнітні спіни, протилежні до своїх сусідів. Без зовнішнього магнітного поля антиферомагнетики поводяться як будь-який інший матеріал. Однак під впливом магнітного поля магнітні моменти атомів вирівнюються в протилежному напрямку до своїх сусідів, а не випадковим чином або в загальному напрямку, як у феромагнетиків. Це не призводить до чистого внеску матеріалу в поле, але може призвести до різких змін провідності за різних обставин, що може мати застосування.

Якщо матеріали можуть рухатися в ногу з командами магнітних полів, відхиляти їх, змінюючи напрямок, або повністю ігнорувати їх, то що ще залишається?

На диво, відповідь дають альтромагнетики. На перший погляд, альтермагнетики здаються просто ще однією формою антиферомагнетиків. Їхні внутрішні спіни також мають протилежний напрямок, ніж у сусідів, не даючи жодного чистого ефекту. Патерни повторюються через симетрію обертання, а не трансляційну симетрію, що означає, що замість того, щоб сусідні атоми взаємно погашали один одного, вони створюють спінову поляризацію, яка може призвести до чергування смуг.

Отримані властивості можуть стати чимось середнім між двома раніше відомими типами магнітів і можуть виявитися дуже корисними для створення магнітних накопичувачів пам’яті, набагато потужніших за ті, що вже існують.

Це станеться завдяки так званій спінтроніці – використанню спінових станів електронів, а також їхніх зарядів для перенесення інформації. Над спінтронікою працювали, а іноді і розкручували, роками, використовуючи феромагнетики. Однак об’ємний магнетизм, який забезпечують феромагнетики, ускладнює масштабування спінтронних пристроїв, оскільки об’ємне магнітне поле заважає спіну власних компонентів і сусідніх. Антиферомагнетики уникають цього, але відсутність у них спін-залежних ефектів перешкоджає досягненню певної поведінки, яку ми шукаємо.

Теорії, що пропонують альтермагнетики, змусили фізиків замислитися над тим, чи можуть вони бути “золотою зоною” спінтроніки, і шукати підтвердження їхнього існування.

Тепер, коли підтвердження знайдено, дехто настільки схвильований, що використовує інше слово на літеру “М”. “У цьому полягає магія альтромагнетиків, – сказав у своїй заяві професор Томаш Юнгвірт з Чеської академії наук. – Те, у що люди вірили, що вони існують, – це магія. “Те, що люди вважали неможливим до недавніх теоретичних прогнозів, насправді є можливим”.

У 2019 році Юнгвірт допоміг ідентифікувати клас магнітних матеріалів, які не вписуються в існуючі категорії, проводячи внутрішні електричні струми без зовнішнього магнітного поля. Три роки по тому він був частиною команди, яка виявила понад 200 кандидатів на альтермагнетизм у різних класах матеріалів. Тим не менш, від підозри до доказу існує великий розрив, і на той час підтвердження альтермагнетизму було відсутнє.

Однак, дослідивши кристали телуриду марганцю, який раніше вважався антиферомагнетиком, в рентгенівських променях, Юнгвірт і співавтори оголосили, що він складається з електронних смуг з чергуванням спінових станів, що є ключовою характеристикою альтермагнетика.

Рентгенівські промені показали, що телурид марганцю демонструє “підняте спінове виродження Крамерса” за магнітним порядком. Незважаючи на те, що це звучить як ритуал левітації псевдосередньовічного культу, насправді це добре вивчена характеристика феромагнетиків, яка була передбачена в альтермагнетиках, але не зустрічається в антиферомагнетиках.

Окрім поглиблення нашого розуміння магнетизму і потенційних застосувань, які він може дати, Юнгвірт і його колеги вважають, що їхня робота може дати нове розуміння надпровідності.

“Альтермагнетизм насправді не є чимось надзвичайно складним. Це щось абсолютно фундаментальне, що було перед нашими очима десятиліттями, а ми цього не помічали, – каже Юнгвірт. “І це не те, що існує лише в кількох незрозумілих матеріалах. Вона існує в багатьох кристалах, які люди просто тримали у своїх шухлядах. У цьому сенсі, тепер, коли ми вивели його на світло, багато людей по всьому світу зможуть працювати над ним, що дає потенціал для широкого впливу”.